راكتور و انواع آن (Reactor)

شرح و توصيف

راكتور يك ظرف يامحفظه باشكلهاي مختلف ميباشدكه درآن واكنش شيميايي صورت ميگيردودرآن موادورودي به محصولات تبديل ميشوند: كه به دودسته پليمري و غيرپليمري تقسيم ميشوند.

واكنشهاي شيميايي كه درداخل راكتور صورت ميگيرندبه دودسته كلي متجانس و نامتجانس تقسيم بندي ميشوند. واكنشهاي متجانس واكنشهايي هستندكه درآن تمام تركيب شوندگان دريك فازكه ممكن است گاز، مايع وياجامدباشد،موجودهستند. همچنين درصورتيكه واكنش كاتاليزوري باشد، كاتاليزورهم بايستي درهمان فازوجودداشته باشد. واكنشهاي نامتجانس ،واكنشهايي هستندكه براي انجام آنهاحداقل دوفازلازم باشد.
متغيرهاي زيادي سرعت واكنش راتغييرميدهند، درسيستمهاي متجانس ، دما ، فشاروغلظت متغيرهاي واضحي هستند. درسيستمهاي نامتجانس بدليل آنكه بيش ازيك فازوجودداردودرطول واكنش موادبايستي ازيك فازبه فازديگرمتصل شوند، علاوه بردما، فشاروغلظت، سرعت انتقال جرم وسرعت انتقال حرارت نيزاهميت دارد.

انواع راكتور

راكتورها ازلحاظ عملكردشان به گروههاي زیرتقسيم بندي ميشوند:

راكتورهاي ناپيوسته (Batch)

ازديدگاه تاريخي، راكتورهاي ناپيوسته ازآغازصنعت شيميايي مورداستفاده بوده وهنوزهم بصورت وسيعي درتوليدموادشيميايي باارزش افزودني بالامورداستفاده ميباشند.
دراين راكتورهاموادواكنش دهنده درهمان ابتداي عمل واردراكتورميشوند. محتويات راكتوربراي مدت مشخصي كاملاًمخلوط شده وپس ازمدت زمان معيني كه واكنش پيشرفت، محتويات داخل راكتورتخليه ميشوند. دراين راكتورها غلظت درطول زمان تغييرميكندامااختلاط كامل باعث ميشودكه درهرلحظه درجه حرارت وتركيب درسرتاسر راكتوريكنواخت باشد.

اين راكتورهادرمواردزيربكاربرده ميشوند:

•  توليددرمقياس كوچك صنعتي(ظرفيت كم)
•  آزمايش كردن فرايندهاي ناشناخته
•  توليدصنعتي محصولات گران قيمت
•  براي محصولاتي كه توليدآنهادرشرايط مداوم مشكل باشد.

امتيازاين راكتورهادراين است كه بادادن زمان لازم براي انجام واكنش، مواداوليه بادرصدتبديل بالابه محصولات موردنظرتبديل ميگردندواحتياج به وسايل اضافي وكمكي كمتري دارند.

مراحل كاركرد راكتور ناپيوسته

درحاليكه استفاده ازاين نوع راكتورهامحدودبه واكنشهاي متجانس فازمايع ميباشد. ازديگرمحدوديتهاي اين نوع راكتورهابالابودن هزينه توليددرواحدحجم محصول توليدشده ميباشد.(بدليل بالابودن زمان سيكل وزمان تخليه وشستشو) همچنين توليدصنعتي درمقياس بالادراينگونه راكتورهامشكل ميباشد.

راكتور ناپيوسته

راكتورهاي نيمه پيوسته (Semi Batch)

راكتورهاي نيمه پيوسته نيزهمان محدوديتهاي راكتورناپيوسته رادارد. ازامتيازات راكتورهاي نيمه پيوسته كنترل خوب حرارت وكنترل واكنشهاي نامطلوب ومحدودكردن توليدمحصولات ناخواسته ميباشد. اين
عمل ازطريق واردكردن تدريجي يكي ازاجزاء تركيب شونده باغلظت كم ميسرميگردد. راكتورهاي نيمه پيوسته اغلب براي واكنشهاي دوفازي كه يكي ازاجزاءتركيب شونده گازباشدمورداستفاده قرارميگيردوجزءگازي بصورت حباب به داخل فازمايع درون راكتورتغذيه ميگردد.

مراحل كاركرد يك راكتور ناپيوسته

راكتور نيمه پيوسته

راكتور هاي مخلوط شونده (CSTR)

دراين راكتورهمانطورکه درشكل مشخص شده مواداوليه واردراكتورميشوندوپس ازاختلاط درراكتورواقامت براي مدت زمان مشخصي درراكتور، ازراكتورخارج ميشوند.

اين راكتور زمانيكه يك واكنش شيميايي احتياج به همزدن شديدداشته باشدمورداستفاده قرارميگيرد. كنترل حرارت دراين راكتورهابه آساني انجام ميگيرد. يكي ازمحدوديتهاي اين نوع راكتورهادرصدتبديل پايينترآنهادرواحدحجم محصول توليددرمقايسه باسايرراكتورهاي پيوسته بازميباشد. به همين دليل حجم راكتور مذكوررابايدخيلي بزرگ انتخاب كردتابه درصدتبديل بالادست يافت. درصنعت معمولاًازيك سري راكتورمخلوط شونده پشت سرهم استفاده ميشود.

سري راكتور مخلوط شونده

راكتورهايMixed براي اغلب واكنشهاي متجانس درفازمايع استفاده ميشود. دراين راكتورها، جريان خوراك ومحصول پيوسته است وفرض ميشودكه محتويات راكتوركاملاًبهم ميخورد. اين عمل منجربه يكنواختي درجه حرارت وتركيب درراكتورميشود. به علت اين اختلاط يك جزءسيال ممكن است درهمان لحظه اي كه واردراكتورميشودآنراترك كنديابراي مدت زمان زيادي درداخل راكتورباقي بماند. زمان اقامت هركدام ازاجزاءسيال درراكتورمتفاوت است.

راكتورهاي لوله اي (Tubular Plug)

درصنايع شيميايي براي فرايندهاي بامقياس بزرگ معمولاًازراكتورهاي لوله اي استفاده ميشود. زيرانگهداري سيستم راكتورهاي لوله اي آسان ميباشد.(چون داراي قسمتهاي متحرك نيستند) ومعمولاًبالاترين درصدتبديل مواداوليه درواحدحجم راكتوررادرمقايسه باسايرراكتورهاي سيستم جاري داراهستند.

راكتور لوله اي

ازمحدوديتهاي اين راكتورهامشكل كنترل حرارتي براي واكنشهاي گرمازايي است كه بسيارسريع عمل ميكنندونهايتاًمنجربه نقاط داغ Hot Spot ميگردند. يك راكتورلوله اي همراه سيستم سرمايشي ميباشدكه به علت سرعت زيادواكنش،باوجودخنك شدن، درمركزآن نقاط داغ Hot Spot بوجودآمده است. نقاط داغ Hot Spot باعث ميشوندكه كيفيت محصول كاهش يابدودستگاه آسيب ببيند.

نمايش نقاط داغ در يك راكتور لوله اي

اغلب واكنشهاي متجانس گازي دراين نوع راكتورهاانجام ميگيرند.
دراين راكتورهانيزمانندراكتورهاي Batch زمان اقامت براي تمام اجزاءسيال مساوي است. سيستم متشكل ازتعدادي واحدهاي سري ازراكتورهاي مخلوط شونده Mixed عملكردي مشابه بايك راكتورلوله اي دارد. هرچقدرواحدهاي پشت سرهم بيشترباشد، خواص سيستم به حالت لوله اي نزديكتراست.

راكتورهاي بستر ثابت (Fixed Bed Reactor)

راكتورهاي بسترثابت درواقع همان راكتورهاي لوله اي پرشده ازدانه هاي جامدكاتاليزورهستند. واكنشهاي غيرمتجانس ازنوع گازي وكاتاليزوري دراين نوع راكتورهاانجام ميگيرد. ازمعايب اين نوع راكتورهامشكل كنترل حرارتي ومشكل جايگزيني كاتاليزوربعدازغيرفعال شدن آن ميباشد.
همچنين بعضي اوقات پديده كاناليزه شدن موادگازي درحين عبورازدرون راكتورباعث كاهش زمان اقامت لازم براي انجام واكنش ميشودكه اين خودیكي ديگرازمحدوديتهاي اين نوع راكتورميباشد. امتيازاين نوع راكتورها، درصدتبديل بالاي آن درواحدوزن كاتاليزورمصرف شده درمقايسه باسايرراكتورهاي كاتاليزوري ميباشد. ازديگرمزاياي اين راكتورقيمت پايينترآن نسبت به راكتورهاي مشابه مخصوصاًراكتوربسترسيال ميباشد.

راکتور بستر ثابت-fixed bed reactor

راكتورهاي بستر سيال(Fluidized Bed Reactor)

نوع ديگري ازراكتورهاي كاتاليزوري، راكتوربسترسيال ميباشد. درراكتوربسترسيال همانندراكتورمخلوط شونده، محتويات داخل راكتوراگرچه غيرمتجانس ميباشندولي به خوبي بايكديگرمخلوط شده وباعث توزيع يكنواخت دمادرتمام نقاط راكتورميگردند. بدليل توزيع مناسب حرارت درداخل اين راكتورهامشكل نقاط داغ وجودندارد. بدليل ظرفيت بالاوكنترل حرارت خوب، اين نوع راكتورها، كاربردصنعتي زيادي پيداكرده اند. ازامتيازات برجسته اين راكتورهاسهولت احياوجايگزين كردن كاتاليزورميباشد.

راكتور بستر سيال

عملكرد راكتور

براي راكتورها، سه پارامتر مهم جهت توصيف عملكردراكتورمورداستفاده قرارمیگيرد:

• درصدتبديل: نسبت مقدارموادواكنش دهنده مصرفي درراكتوربه مقدارموادواكنش دهنده به راكتورتغذيه ميباشد. اگرواكنش برگشتپذيرباشد، حداكثردرصدتبديلي كه به آن ميتوان رسيددرصدتبديل تعادلي ناميده ميشود.
• انتخاب پذيري: نسبت مقدارمحصول مطلوب توليدشده به مقدار موادواكنش دهنده مصرفي درراكتورميباشد.
• بازده راكتور: مقدارمحصول مطلوب توليدشده به مقدار موادواكنش دهنده اي كه به راكتورتغذيه ميشود.

حال به بررسي متغيرهاي مهمي كه برعملكردراكتورتاثيردارند ميپردازيم.

غلظت راكتور

هنگاميكه بيش ازيك ماده واكنش دهنده وجودداشته باشد، اغلب استفاده ازمقداربيش ازنيازيكي ازواكنش دهنده هانتيجه مطلوبي بدست خواهدداد. مخصوصاًاگربخواهيم يكي ازموادبطور كامل مصرف شود.
(به علت قيمت بالاياخطرناك بودن). گاهي اوقات مناسب است كه يك ماده خنثي همراه باخوراك به راكتورتغذيه شودوياقبل ازپيشرفت كامل واكنش، محصول توليدي خارج شود. بعضي اوقات نيزاستفاده ازيك
مسيربرگشتي ازفراورده هاي جانبي ناخواسته به راكتورمطلوب است. درموردواكنشهاي برگشتناپذيراگريكي ازتركيبات ورودي بيشترازمقدارموردنيازبه واكنش واردشود، میتواندماده ديگررابه سمت كامل كردن سوق دهد. بعنوان مثال، واكنش بين اتيلن و كلر براي توليد دي كلرواتان رادرنظربگيريد:

C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

اگرازيك مقداراتيلن اضافي جهت حصول اطمينان ازتبديل كامل ماده كلراستفاده شودمشكل حضوركلردرسيستم جداسازي بعدي ازبين ميرود. معمولاًدريك واكنش اگريكي ازاجزاءخطرناكترباشد(مانندكلردراينجا) بايدازكامل شدن آن مطمئن شويم. اگرواكنش برگشتپذيرباشدهدف افزايش درصدتبديل تعادلي ميباشد. اگريكي ازخوراكهارابه مقداراضافي واردكنيم ميتوانيم درصدتبديل تعادلي راافزايش دهيم. گاهي اوقات باحذف مداوم محصول يايكي ازمحصولات ازراكتوري كه واكنش درآن درحال پيشرفت است،ميتوان درصدتبديل تعادلي راافزايش داد. مثلاًُبوسيله تبخيركردن ماده اي ازراكتورفازمايع. يك راه ديگراينست كه واكنش درمراحل پشت سرهم همراه باجداسازي محصولات درمراحل مياني صورت گيرد.

دماي راكتور

انتخاب دماي راكتوربه عوامل زيادي بستگي دارد. عموماًاين انتخاب بايدبگونه اي باشدكه سرعتهاي زيادواكنش وحجم كمترراكتورراايجادنمايد. بطورعملي محدوديتهايي درانتخاب دماي راكتوروجوددارد، ازجمله ملاحظات ايمني، محدوديتهاي جنس ساختمان راكتوروياحداكثردماي عملكردكاتاليست. برحسب نوع واكنش انتخاب دمامتفاوت خواهدبود.

واكنشهاي گرماگير

اگريك واكنش گرماگيرباشد، عملكرددردماي بالاباعث افزايش درصدتبديل ميشود. همچنين دماي بالا، سرعت واكنش رازيادوحجم راكتورراكم ميكند. بنابراين براي واكنشهاي گرماگيرتاآنجاكه ممكن است، درجه حرارت بالادرنظرگرفته ميشودبگونه ايكه باملاحظات ايمني، محدوديتهاي جنس ساختمان راكتوروعمركاتاليست مطابقت داشته باشد.

واكنشهاي گرمازا

براي واكنشهاي برگشتناپذيرگرمازا، تاآنجاكه ممكن است، باتوجه به ساختمان مواد، عمركاتاليست ومسائل ايمني، بايددرجه حرارت راپايين درنظرگرفت. دراينصورت حجم راكتورحداقل خواهدشد. چنانچه واكنشي گرمازاوبرگشت پذيرباشد، عملكرددردماي پايين حداكثرمقداردرصدتبديل راافزايش ميدهد. ليكن عملكرددردماي پايين سرعت واكنش راكاهش ميدهدودرنتيجه باعث افزايش حجم راكتورخواهدشد. بنابراين درابتداي واكنش يعني هنگامي كه ازحالت تعادل دورهستيم؛ استفاده ازدرجه حرارت بالابمنظورافزايش سرعت واكنش برتري دارد. اماهمانطوركه باگذشت زمان به حالت تعادل نزديك ميشويم، براي افزايش مقدارحداكثردرصدتبديل بايددرجه حرارت راپايين آورد. لذابراي واكنشهاي برگشتپذيرگرمازا، همانطوركه درصدتبديل زيادميشود، درجه حرارت ايده آل بطورمداوم كاهش ميابد. اگردرراكتورهمراه واكنش اصلي واكنشهاي ديگري نيزصورت گيردكه باعث توليدمحصولات جانبي شوند، بايددردمايي عمل كردكه ميزان توليدمحصول اصلي بيشترباشد. اينكاراغلب به حداقل كردن حجم راكتورترجيح دارد.

كنترل دما: دروهله اول عملكردراكتوررا آدياباتيك ياعايقبندي شده فرض ميكنيم. طراحي چنين سيستمي ساده ترين وارزانترين طراحي ممكن است. اگرعملكردعايقبندي شده درواكنشهاي گرمازاباعث افزايش غيرقابل پذيرش درجه حرارت ودرواكنشهاي گرماگيرباعث كاهش غيرقابل پذيرش درجه حرارت شود، بايكي ازراهكارهاي زيرسروكارداريم:

۱- انتقال حرارت غيرمستقيم باراكتور: اگرامكان عملكردآدياباتيك راكتوروجودنداشته باشدبايدازحرارت غيرمستقيم وياباخنك كردن غيرمستقيم استفاده نمود. اينكاربااستفاده ازيك سطح انتقال حرارت داخلي ياخارجي درراكتورامكان پذيراست ماننداستفاده از كويلهاوژاكتها.

۲- تزريق گرم وتزريق سرد: تزريق مستقيم خوراك تازه سردبه نقاط مياني راكتور، تزريق سردناميده ميشود. اين عمل جهت كنترل دماي واكنشهاي گرمازاموثراست. اگرواكنش گرماگيرباشد، ميتوان خوراك تازه پيش گرمشده رابه نقاط مياني راكتور تزريق كرد. اين عمل تزريق گرم نام دارد.

۳- حامل حرارت: افزايش يك ماده خنثي به خوراك راكتور، افزايش دماي واكنشهاي گرمازا ويا كاهش دما درواكنشهاي گرماگيرراكاهش ميدهد. بايد تاآنجاكه ممكن است ازيكي ازسيالات موجوددرفرايندبعنوان حامل استفاده كرد.

فشار راكتور

افزايش فشاردرواكنشهاي برگشت ناپذيرفازبخارسرعت واكنش رازيادميكندولذاحجم راكتورراكاهش ميدهد. اين امربه دوعلت ايجادميشود؛ هم به علت كاهش زمان اقامت موردنيازبراي يك تبديل معين درراكتوروهم بوسيله افزايش دانسيته بخار. بطوركلي پارامترفشاراثرناچيزي برروي سرعت واكنشهاي فازمايع دارد.
انتخاب فشاردرواكنشهاي برگشت پذيرفازبخاربه اين امربستگي داردكه آياواكنش همراه باكاهش وياافزايش درتعدادمولهاست ويااينكه توليدمحصول باواكنشهاومحصولات جانبي همراه است يانه. اگرواكنش برگشت ناپذيرباكاهش تعدادمولها همراه باشد، افزايش فشارراكتور، درصدتبديل تعادلي وسرعت واكنش راافزايش وهمچنين حجم راكتورراكاهش ميدهد. بنابراين دراين حالت بايدفشاردربالاترين حدعملياتي تنظيم شود؛ نبايدازاين نكته غافل شدكه فشاربالاازطريق توان بالاتركمپرسورتامين ميشودكه ازنظرهزينه قابل توجه است. بعلاوه ساختمان مكانيكي لازم براي فشاربالاهزينه گزافي راايجادميكند.

درواكنشهاي برگشت ناپذيركه باافزايش تعدادمولها همراه است كاهش درفشارراكتور، درصدتبديل تعادلي راافزايش ميدهد. ليكن عملكردتحت يك فشاركم، سرعت واكنشهاي فازبخارراكاهش وحجم راكتورراافزايش ميدهد. بنابراين درابتداي كاركه ازتعادل دورهستيم، استفاده ازفشارهاي بالابمنظورافزايش سرعت واكنش مناسبتراست؛ اماهنگاميكه به شرايط تعادلي نزديك ميشويم، براي افزايش درصدتبديل بالافشاررابايدكاهش داد.
اگردرراكتورواكنشهاي جانبي ومحصولات جانبي نيزتوليدشود، فشاربايدبگونه اي انتخاب شودكه محصولات جانبي كمتري توليدشود. دراين حالت اغلب افزايش توليدمحصول مطلوب نسبت به حجم راكتورترجيح داده ميشود.
براي واكنشهاي فازمايع فشاراثربسياركمي داردوفشاراحتمالاًبايدبگونه اي انتخاب شودكه:

•  ازتبخيرمحصولات جلوگيري كند.
•  اجازه دهدتايكي ازمحصولات درواكنش برگشت پذيرتبخيرشود؛ زيراباخروج اين جزءمقدارحداكثردرصدتبديل افزايش مييابد.

فاز راكتور

اگرامكان يك انتخاب آزادبين واكنشهاي فازمايع وواكنشهاي فازگازوجودداشته باشد، معمولاًعمل درفازمايع ترجيح داده ميشودچون حجم راكتورموردنيازدرواكنشهاي فازمايع كوچكتراست ونيزتجهيزات مورداستفاده براي فازمايع كم هزينه ترميباشد.

عدم كارايي راكتوردراستفاده ازموادورودي ميتواندبصورتهاي زيرباشد:

۱- چنانچه درصدتبديل بدست آمده درراكتورپايين بوده وجداكردن وبازگرداندن خوراك واكنش نداده دشوارباشد.
۲- ازطريق تشكيل فراورده هاي جانبي ناخوسته، گاهي اوقات فراورده هاي جانبي خوراك محصول باارزش است، گاهي اوقات بعنوان يك سوخت ارزش دارد. اما گاهي اوقات مشكل آفرين بوده ونيازبه فرايندهاي تصفيه پساب گران قيمت دارد.
۳- ناخالصيهاي خوراك ميتواند واكنش رابه تشكيل فراورده هاي جانبي سوق دهد. بهترين راه اجتناب ازاين امر، خالص سازي خوراك قبل ازواكنش است.

كارايي خوب راكتورمستلزم كنترل دقيق متغيرهاي عملياتي مانند فشار، دما و غلظت ميباشد.