راكتور مخلوط شونده (Mixed Reactor)

 

در اين راکتور مواد اوليه وارد راكتور مي شوند و پس از اختلاط در راكتور و اقامت براي مدت زمان مشخصي در راكتور، از راكتور خارج مي شوند.

 
  راكتور مخلوط شونده

  
 راكتور مخلوط شونده

الف. تصويري از راكتور در عمليات
ب. نمايي از داخل راكتور مخلوط شونده مشتمل بر انواع پره ها و بافل و سيستم سرمايش و گرمايش

اين راكتور زماني كه يك واكنش شيميايي احتياج به همزدن شديد داشته باشد مورد استفاده قرار مي گيرد .
كنترل حرارت در اين راكتورها به آساني انجام مي گيرد. يكي از محدوديت هاي اين نوع راكتورها درصد تبديل پايينتر آنها در واحد حجم محصول توليد در مقايسه با ساير راكتورهاي پيوسته باز مي باشد. به همين دليل حجم راكتور مذكور را بايد خيلي بزرگ انتخاب كرد تا به درصد تبديل بالا دست يافت . در صنعت معمولاً از يك سري راكتور مخلوط شونده پشت سر هم استفاده مي شود.

 
  سري راكتور مخلوط شونده

 
 سري راكتور مخلوط شونده

 
راكتورهاي Mixed براي اغلب واكنش هاي متجانس در فاز مايع استفاده مي شود. در اين راكتورها، جريان خوراك ومحصول پيوسته است و فرض مي شود كه محتويات راكتور كاملاً بهم مي خورد . اين عمل منجر به يكنواختي درجه حرارت و تركيب در راكتور مي شود. به علت اين اختلاط يك جزء سيال ممكن است در همان لحظه اي كه وارد راكتور مي شود آنرا ترك كند يا براي مدت زمان زيادي در داخل راكتور باقي بماند . زمان اقامت هركدام از اجزاء سيال در راكتور متفاوت است.

انواع رآکتور ها

اغلب فرآیند های تولید مواد ومحصولات شیمیایی توام با تغییر ماهیت شیمیایی مواد اولیه و تبدیل آنها به مواد دیگر می باشد.این تغییر ماهیت ،ناشی از واکنش مواد اولیه است.انجام این تغییرات و واکنش ها در تجهیزاتی به نام راکتور یا واکنش گاه صورت می گیرد.واکنش بین مواد شیمیایی می تواند در فازهای مختلف صورت بگیرد.به عنوان مثال یکی از مواد واکنشگر می تواند مایع و دیگری به شکل گاز یا جامد باشد.اگر واکنشگرها هم فاز باشند واکنش را همگن و اگرواکنشگرها غیر هم فاز باشند واکنش را نا همگن میگویند.در یک واکنش شیمیایی ،به طور همزمان هم ماده مورد نظر تشکیل می شود و هم ممکن است مواد ناخواسته دیگری به عنوان محصولات نا مطلوب واکنش تشکیل گردد.در یک فعالیت اقتصادی ،هدف حداکثر کردن تولید محصول مطلوب می باشد.این امر در صنعت شیمیایی می تواند از طریق دو راهکار زیر محقق گردد.

الف)انتخاب نوع مناسب راکتور و تعیین شرایط مطلوب عملیاتی نظیر دما و فشار

ب)استفاده از کاتالیزور

کاتالیزور ها موادی هستند که سرعت واکنش را اغلب افزایش داده و گاهی نیز در صورت نیاز و بسته به نوع واکنش سبب کاهش سرعت واکنش می گردند.همچنین کاتالیزور ها باعث می شوند واکنش در دماها و فشار های پایین تر انجام شود.کاتالیزور در تحولات شیمیایی بدون تغییر باقی مانده و ماهیت شیمیایی و فیزیکی خود را حفظ می نماید.
اگر در یک راکتور چند واکنش به طور همزمان صورت بگیرد یک کاتالیزور مناسب می تواند سرعت تشکیل و تولید محصول مطلوب را افزایش داده و یا کاهش سرعت واکنش های نا مطلوب از تولید مواد نا خواسته و نامطلوب بکاهد.
راکتور ها بسته به نوع واکنش و نیز هدف از واکنش و همچنین میزان تولید مواد در آن به انوع مختلف ،نظیر راکتور های نا پیوسته ،نیمه پیوسته،پیوسته،راکتور های با جریان قالبی و راکتورهای مخلوط شونده طبقه بندی می گردند.راکتور ها می توانند در شرایط دمایی کم یا زیاد و نیز فشار های خلاء تا فشارهای بالا عمل نمایند.

راکتور مخلوط شونده :

راکتور مخلوط شوندهراکتور مخلوط شونده در شرایطی که یک واکنش شیمیایی احتیاج به اختلاط شدید داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد.راکتورهای مخلوط شونده به تنهایی به صورت پشت سر هم متصل می گردند.کنترل حرارتی در این نوع راکتور ها به آسانی انجام می گیرد.در مقایسه با سایر راکتور ها درصد تبدیل مواد در آنها به ازای واحد حجم محصول تولیدی پایین تر می باشد. به همین دلیل برای دستیابی به میزان مطلوب محصول مورد نظر،از راکتور با حجم های بزرگتر ضروری است

راکتور های مخلوط شونده برای اغلب واکنش های متجانس در فاز مایع استفاده می شود.

راکتور لوله ای:

در صنایع شیمیایی برای فرآیند هایی با مقیاس بزرگ ،معمولا"از راکتور های لوله ای استفاده می شود.این راکتور ها معمولا"بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم پیوسته دارا هستند.

از محدودیت های این نوع راکتورها مشکل بودن کنترل دما برای واکنش های گرمازا می باشد.

راکتور های لوله ای یا به صورت تک لوله ا ی بوده و یا به صورت مجموعه ای از چندین لوله کوتاهتر که به صورت موازی به یکدیگر متصلند مورد استفاده قرار می گیرند.اغلب واکنش های متجانس گازی در این نوع راکتور ها انجام می گیرد.

راکتور بستر ثابت:راکتور های بستر ثابت در واقع همان راکتور های لوله ای پر شده از دانه های جامد کاتالیزئر هستند.واکنش های غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری در این نوع راکتور ها انجام می گیرد.از معایب این نوع راکتورها عدم کنترل حرارت و مشکل جایگزینی کاتالیزور بعد از غیر فعال شدن آن می باشد.

همچنین بعضی اوقات ،پدیده کاتالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث می شود که واکنشگرها زمان کمتری را درون راکتور سپری کنند و در نتیجه جهت انجام واکنش زمان لازم را در اختیار نداشته باشند.این امر یکی دیگر از محدودیت های این نوع راکتورهاست.امتیاز این راکتورها،درصد تبدیل بالای آن در واحد زمان و واحد وزن کاتالیزور مصرف شده در مقایسه با سایر راکتور های کاتالیزوری است.

راکتور بستر سیال:

نوع دیگری از راکتور های کاتالیزوری،راکتور بستر سیال می باشد.در راکتور بستر سیال همانندراکتور مخلوط شونده محتویات داخل راکتور اگرچه غیر متجانس هستند،ولی به خوبی با یکدیگر مخلوط شده و باعث توزیع یکنواخت دما در تمام نقاط راکتور می گردند.به دلیل ظرفیت بالا و کنترل حرارتی خوب ،این نوع راکتور ها کاربردهای صنعتی زیادی پیدا کرده اند.از امتیاز های برجسته این راکتور ها سهولت احیاء و جایگزین کردن کاتالیزور می باشد که علیرغم قیمتبالای ساخت آن ، به لحاظ صرفه جویی مالی و عدم نیاز به احداث واحد جداگانه احیاء کاتالیزور از نظر ا قتصادی قابل توجیه است.

راكتور لوله اي (Tubular Plug Reactor)

در صنايع شيميايي براي فرايندهاي با مقياس بزرگ معمولاً از راكتورهاي لوله اي استفا ده مي شود . زيرا نگهداري سيستم راكتورهاي لوله اي آسان مي باشد (چون داراي قسمت هاي متحرك نيستند) و معمولاً بالاترين درصد تبديل مواد اوليه در واحد حجم راكتور را در مقايسه با ساير راكتورهاي سيستم جاري دارا هستند (شكل 12)

 نماهايي از راكتور

 
 راكتور لوله اي

از محدوديت هاي اين راكتورها مشكل كنترل حرارتي براي واكنش هاي گرمازايي است كه بسيار سريع عمل مي كنند و نهايتاً منجر به نقاط داغ Hot Spot مي گردند.شكل 14 يك راكتور لوله اي همراه سيستم سرمايشي مي باشدكه به علت سرعت زياد واكنش،با وجود خنك شدن، در مركز آن نقاط داغ Hot Spot بوجود آمده است. نقاط داغ Hot Spot باعث مي شوند كه كيفيت محصول كاهش يابد و دستگاه آسيب ببيند.

 
  نمايش نقاط داغ در يك راكتور لوله اي

اغلب واكنش هاي متجانس گازي در اين نوع راكتورها انجام مي گيرند.
در اين راكتورها نيز مانند راكتورهاي Batch زمان اقامت براي تمام اجزاء سيال مساوي است . سيستم متشكل از تعدادي واحدهاي سري از راكتورهاي مخلوط شونده Mixed ، عملكردي مشابه با يك راكتور لوله اي دارد. هرچقدر واحدهاي پشت سر هم بيشتر باشد، خواص سيستم به حالت لوله اي نزديكتر است.

طبقه بندی راکتورها

راکتورها را معمولا با توجه به 3 عامل زیر طبقه بندی می کنند.
بر حسب روشی که طی آن مرحله واکنش صورت می‌گیرد (راکتورهای طبقه الف)

• راکتورهای پیوسته: بر حسب مصرف کاتالیست و بر حسب اینکه واکنش در چند فاز صورت می‌گیرد، دو نوعند: همگن و ناهمگن.
  
  
• راکتورهای نیمه پیوسته: ویژگی ورود پیوسته مواد و خروج پیوسته برخی مواد هستند. راکتورهای خمره‌ای معمولا از این نوع هستند.
  
  
• راکتورهای ناپیوسته: برای موادی طراحی شده‌اند که در مدت معینی ، طبق برنامه ریزی انجام شده در راکتورها باقی بمانند تا اینکه واکنش کامل شود. اغلب به شکل خمره‌ای و استوانه‌ای هستند.

طبقه بندی بر حسب سیستم تبادل حرارتی که انتخاب شده است (راکتورهای طبقه ب)

راکتورهای آدیاباتیک: طراحی آنها طوری است که در طول مدت کنترل دما ، بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت نمی‌کند.

راکتورهای غیر آدیاباتیک: بدنه راکتور در انتقال گرما شرکت می‌کند.

راکتورهای ذکر شده ، در سنتز آمونیاک و اکسیداسیون SO₂ به SO₃ مورد استفاده قرار می‌گیرد.

طبقه بندی بر حسب ویژگی فیزیکی موادی که برای واکنش انتخاب شده‌اند (راکتورهای طبقه ج)

راکتورهای واکنش‌های همگن

راکتورهای واکنش‌های ناهمگن
اگر قرار باشد واکنشی در فاز همگن صورت گیرد بر حسب نوع مراحل از راکتورهای پیوسته یا ناپیوسته طبقه الف استفاده می‌کنند. اما اگر واکنش‌ها در بیش از یک فاز صورت گیرد، گستره راکتورهای مورد مصرف زیاد خوااهد بود. مثلا بر حسب اینکه کاتالیست ، پودر یا گرانول باشد، نوع راکتور فرق خواهد کرد.
طبقه‌بندی‌های دیگر

طبقه‌بندی‌های دیگری هم با توجه به وضعیت تغذیه راکتور یا عملیات سینماتیک یا تخلیه مواد شرکت کننده در واکنش وجود دارند. همچنین می‌توان آنها را بر حسب حلال‌ها و رقیق کننده‌ها و ... انتخاب کرد. در هر حال راکتورها را برای اهداف مختلف بر حسب نوع کارخانه و شرایط آن انتخاب می‌کنند.

راكتور نيمه پيوسته (Semi Batch Reactor)

 

راكتورهاي نيمه پيوسته نيز همان محدوديت هاي راكتور ناپيوسته را دارد. از امتيازات راكتور هاي نيمه پيوسته كنترل خوب حرارت و كنترل واكنش هاي نامطلوب و محدود كردن توليد محصولات ناخواسته مي باشد . اين عمل از طريق وارد كردن تدريجي يكي از اجزاء تركيب شونده با غلظت كم ميسر مي گردد . راكتور هاي نيمه پيوسته اغلب براي واكنش هاي دوفازي كه يكي از اجزاء تركيب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار مي گيرد و جزء گازي به صورت حباب به داخل فاز مايع درون راكتور تغذيه مي گردد .(شكل 4 )     مراحل كاركرد يك راكتور ناپيوسته   راكتور نيمه پيوسته     راكتور نيمه پيوسته

رآکتورهای شیمیایی (Chemical Reactors)

رآکتور شیمیایی دستگاهی است که در آن واکنش یا واکنش های شیمیایی نظیر تبدیل، ترکیب یا تجزیه به منظور تولید مواد مورد نظر انجام می شود.طبق قرارداد دستگاهی که در آن واکنش سوختن به منظور تولید انرژی انجام می شود، رآکتور نیست.

در یک واحد صنایع شیمیایی مواد خام ابتدا از یک رشته فرآیندهای تغییر فیزیکی اولیه از قبیل جداسازی، مخلوط کردن و ... عبور می کنند تا آماده ورود به مرحله بعدی یعنی تغییرات شیمیایی شوند. در این مرحله به کمک رآکتور یا راکتورهای مناسب واکنش های شیمیایی مورد نظر انجام و محصول تهیه می شود. به دلیل انجام بعضی از واکنش های ناخواسته  یا وجود مقداری از مواد خام که در رآکتور فرصت انجام واکنش نداشته و همراه محصول از رآکتور خارج شده اند، این محصول غالبا قابل عرضه به بازار نمی باشد و لازم است عملیات فیزیکی نهایی از قبیل جداسازی، خالص سازی و... بروی آن انجام شود. در صنایع شیمیایی، آن بخش از عملیات شیمیایی که در رآکتورها صورت می گیرد مهمترین و حساس ترین عملیات کارخانه محسوب می گردد.

« تقسیم بندی رآکتورها»

براساس دیدگاه های متفاوت، تقسیم بندی های متنوعی برای رآکتورهای شیمیایی انجام شده است. یکی از مهمترین مشخصه های واکنش های شیمیایی  تعداد و نوع فازهایی است که واکنش در آن صورت می گیرد. بر این مبنا می توان رآکتورهای شیمیایی را نیز تقسیم بندی نمود. این تقسیم بندی در زیر آمده است:

1) رآکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود

2) رآکتورهای چند فازی:

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود

 - تقسیم بندی دیگر رآکتورها براساس نوع عملیات آن ها است. این تقسیم بندی به شکل زیر است:

1) رآکتورهای ناپیوسته(Batch Reactors):

مثل رآکتور تولید پلی کلرید وینیل(PVC) از طریق پلیمر کردن کلرید وینیل

2) رآکتورهای پیوسته یا جریان پایدار(Continuous or Steady Flow Reactors):

مثل رآکتور تولید آمونیاک از طریق واکنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن

3) رآکتورهای نیمه پیوسته(Semi Batch Reactors):

مثل رآکتور هیدروژن دار کردن روغن مایع به منظور اشباع آن و تولید روغن جامد

 راکتورهای ناپیوسته:

در این رآکتورها مواد اولیه به مقدار معین وارد رآکتور می شود، در زمان مشخص واکنش انجام می گیرد و سپس محصول از راکتور خارج می شود. بدین ترتیب یک دوره  کار که شامل بارگیری، انجام واکنش و تخلیه است پایان می پذیرد و راکتور برای انجام واکنش در دوره بعد پاکسازی و آماده می شود.

این نوع راکتورها نسبتا ساده هستند و احتیاج به وسایل کمکی و سیستم های کنترل کمتری دارند. در صنعت از این نوع راکتورها برای انجام واکنش های کند، که احتیاج به زمان اقامت زیادی دارند، استفاده می شود. مدت اقامت واکنش دهنده ها در داخل راکتور، که طی آن واکنش گرها فرصت انجام واکنش پیدا می کنند، زمان اقامت گویند.

 رآکتورهای پیوسته:

در این نوع راکتورها، مواد اولیه به طور دایم وارد راکتور می شود و پس ار انجام واکنش محصول، پیوسته از راکتور خارج می شود. این گونه راکتورها هنگامی در صنعت استفاده می شوند که هدف تولید مقدار زیادی محصول باشد در ضمن راکتورهای پیوسته برای انجام واکنش های سریع مناسب تر می باشند.این نوع رآکتورها نیاز به سیستم های دقیق و متنوعی دارند. از این راکتورها در بسیاری از صنایع شیمیایی، به خصوص صنایع نفت،گاز و پتروشیمی استفاده می شود.

 رآکتورهای نیمه پیوسته:

این نوع راکتورها دارای انواع متنوعی هستند. در نوع متداول آن یکی از مواد اولیه ابتدا در داخل راکتور بارگیری و سپس به تدریج ماده یا مواد اولیه دیگر به آن اضافه می شود. در نوع دیگر مواد اولیه به طور هم زمان وارد راکتور می شود ولی تا پایان واکنش هیچ ماده ای از راکتور خارج نمی شود. نوع دیگری از آن وجود دارد که یکی از مواد اولیه در داخل راکتور بارگیری شده است و ماده دیگر به تدریج به آن اضافه می گردد و همزمان با آن محصول نیز از راکتور خارج می شود.