دليل اختيار أنواع المفاعلات الكيميائية واستخداماتها

تخيل مصنع للكيماويات الدقيقة حيث تعمل المفاعلات كقلب للعمليات، وتحول باستمرار المواد الخام الرخيصة إلى منتجات ذات قيمة عالية.السؤال الحاسم للمهندسين الكيميائيين: كيفية اختيار النوع الأكثر ملاءمة من المفاعل للاستجابة المحددة؟ هل يجب أن يعطي الأولوية للإنتاج المستمر الكفاءة أو اختيار مرونة المعالجة دفعة؟

المفاعلات الكيميائية هي أوعية مغلقة مصممة لتسهيل التفاعلات بكفاءة مع تقليل التكاليف. وهذا ينطوي على التحكم الدقيق في مدخلات الطاقة ومخرجاتها،الاستخدام الأمثل للمواد الخامالمفاعلات والمنتجات عادة ما تكون سائلة (غازات أو سوائل). استنادًا إلى طريقة التشغيل ، فإن المفاعلات والمنتجات المستخدمة في التشغيل هي:يتم تصنيف المفاعلات إما كنظم مستمرة أو مجموعة.

تعمل المفاعلات الصناعية بشكل عام بموجب ثلاثة نماذج مثالية تحدد معايير العملية الأساسية:

• مفاعلات الشرائح
• مفاعلات الخزان المتداولة (CSTR)
• مفاعلات التدفق المكبس (PFR)

وتشمل معايير العملية الرئيسية حجم المفاعل (V) ، ووقت الإقامة (t) ، ودرجة الحرارة (T) ، والضغط (P) ، وتركيزات المواد (C1، C2،...Cn) ، ومعاملات نقل الحرارة (U، h).العديد من المفاعلات الصناعية تجمع بين عناصر من هذه الأنواع الأساسية.

تعمل المفاعلات الجماعية بشكل متقطع كوعاءات مغلقة حيث يتم تحميل جميع المفاعلات في وقت واحد. يحدث الخلط من خلال المحركات لتعزيز كفاءة التفاعل.

للتفاعلات الحرارية الخارجية ، عادة ما تتضمن مفاعلات الشرائح لفائف التبريد. تعمل هذه الأنظمة في ظل ظروف حالة انتقالية غير ثابتة حيث تختلف معدلات التحويل بمرور الوقت.الاختلاط المتساوي يضمن خصائص متجانسة في جميع أنحاء الوعاء، مما يعني أن التحويل يبقى متسقًا في جميع المراكز.

• تنوع استثنائي لإنتاج منتجات متعددة
• مثالية للإنتاج على نطاق صغير
• مناسبة للتفاعلات التي تتطلب أوقات معالجة طويلة

• عمليات التحميل والتفريغ والتنظيف التي تستغرق الكثير من العمل
• ارتفاع تكاليف التشغيل بسبب المتطلبات اليدوية
• كفاءة إنتاج أقل مقارنة بالنظم المستمرة

المفاعلات المختلطة للتدفق، والتي تسمى أيضًا مفاعلات التدفق المختلطة، تعمل باستمرار في خزانات مضطربة حيث تدخل المفاعلات بمعدلات تدفق ثابتة، وتتفاعل لفترات إقامة محددة مسبقًا وتخرج بمعدلات تدفق متكافئة.

الحركة المستمرة تحافظ على تركيزات متساوية في جميع أنحاء الوعاء ، مما يعني أن التحويل يعتمد أساسًا على حجم المفاعل بدلاً من الموقع.

• يسمح بالإنتاج المستمر على نطاق واسع
• يعمل في حالة استقرار لفترات طويلة
• يقلل من وقت التوقف بين دورات الإنتاج

• غير عملي لردود الفعل الحركية البطيئة التي تتطلب أحجام كبيرة
• أسعار تحويل أقل مقارنة بحجم PFR المكافئ

PFRs (أو المفاعلات الأنبوبية المستمرة) نموذج أنظمة التدفق المستمر الأسطواني حيث تتحرك المفاعلات محوريًا في تشكيل "البلاك" دون خلط محوري ولكن خلط شعاعي كامل.

هذا التصميم يضمن أوقات الإقامة المتطابقة بينما تختلف التركيزات على طول المفاعل.

• متطلبات الحجم الأصغر من CSTRs للتحويلات المكافئة
• كفاءة فضائية أعلى
• متفوقة لتحديد الحركية الحفازية للغاز

• التحدي في التحكم في درجة الحرارة للتفاعلات الحرارية الخارجية
• تكاليف صيانة أعلى
• حساسة لتناسق الغذاء ومهتمة بالانسداد

هذه الأنظمة المعدلة للكميات تحمل عامل واحد في البداية بينما تضيف آخرين تدريجيا. يساعد هذا النهج في التحكم في التفاعلات الحرارية الخارجية، ومنع التفاعلات الجانبية،أو تسهل فصل المنتج أثناء تكوين الغاز، هطول الصلب، أو توليد المنتجات الهيدروفوبية.

• تحسين السيطرة على الإنتاجية وانتقائية المنتجات
• فعالة في إدارة التفاعلات الحرارية الخارجية
• مثالية لردود الفعل المتطورة للغازات

• يتطلب تنظيفًا مكثفًا بين المجموعات
• عملية معقدة تحتاج إلى تحكم دقيق في إضافة المفاعل

تتطلب مفاعلات التحفيز، التي يتم تكوينها عادةً على أنها PFR، حسابات معقدة لأن معدلات التفاعل تعتمد على اتصال المحفز وتركيزات المفاعل.الطرق التحفيزية غالباً ما تنطوي على مراحل متعددة مع منتصفات مرتبطة كيميائياً.

يتم إيقاف تشغيل المُحفّزات من خلال التكوك، والتسمم، والتجمد، وخاصة في العمليات البتروكيماوية عالية درجة الحرارة.

• تمكن من حركة التفاعل الاقتصادية القابلة للحياة
• يوفر مسارات بديلة منخفضة الطاقة
• ضرورية لعمليات مثل كراكينغ البترول، والهيدروجين، وتوليف الأمونيا

• تتطلب صيانة ومراقبة متخصصة
• خطر تدهور المحفز المكلف
• يتطلب استبدال المحفز الدوري / تجديد