عملکرد رآكتور Reactor

منتشر شده در 1399/09/03 | بازدید : 36 بار | زمان مطالعه : 15 دقیقه

عملكرد راكتور

براي راكتورها، سه پارامتر مهم جهت توصيف عملكرد راكتور مورد استفاده قرار مي گيرد:

درصد تبديل :Conversion نسبت مقدار مواد واكنش دهنده مصرفي در راكتور به مقدار مواد واكنش دهنده اي به راكتور تغذيه مي باشد. اگر واكنش برگشت پذير باشد، حداكثر درصد تبديلي كه به آن مي توان رسيد درصد تبديل تعادلي ناميده مي شود.

انتخاب پذيري :Selectivity  نسبت مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واكنش دهنده مصرفي در راكتور مي باشد.

بازده راكتور :Yield -  مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واكنش دهنده اي كه به راكتور تغذيه مي شود.

حال به بررسي متغيرهاي مهمي كه بر عملكرد راكتور تاثير دارند مي پردازيم.

-1-3-1 غلظت راكتور

هنگامي كه بيش از يك ماده واكنش دهنده وجود داشته باشد، اغلب استفاده از مقدار بيش از نياز يكي از

واكنش دهنده ها نتيجه مطلوبي بدست خواهد داد. مخصوصاً اگر بخواهيم يكي از مواد به طور كامل مصرف شود

(به علت قيمت بالا يا خطرناك بودن). گاهي اوقات مناسب است كه يك ماده خنثي همراه با خوراك به راكتور

تغذيه شود و يا قبل از پيشرفت كامل واكنش، محصول توليدي خارج ش ود. بعضي اوقات نيز استفاده از يك

مسير برگشتي از فراورده هاي جانبي ناخواسته به راكتور مطلوب است.

در مورد واكنش هاي برگشت ناپذير اگر يكي از تركيبات ورودي بيش تر از مقدار مورد نياز به واكنش وارد

شود، مي تواند ماده ديگر را به سمت كامل كردن سوق دهد. به عنوان مثال، واكنش بين اتيلن و كلر براي توليد دي كلرواتان را در نظر بگيريد:    C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

اگر از يك مقدار اتيلن اضافي جهت حصول اطمينان از تبديل كامل ماده كلر استفاده شود مشكل حضور كلر در سيستم جداسازي بعدي از بين مي رود. معمولاً در يك واكنش اگر يكي از اجزاء خطرناك تر باشد  مانند كلر در اين مثال بايد از كامل شدن آن مطمئن شويم.

 

 

 

اگر واكنش برگشت پذير باشد هدف افزايش درصد تبديل تعادلي مي باشد. اگر يكي از خوراك ها را به مقدار اضافي وارد كنيم مي توانيم درصد تبديل تعادلي را افزايش دهيم. گاهي اوقات با حذف مداوم محصول يا يكي از محصولات از راكتوري كه واكنش در آن در حال پيشرفت است، مي توان درصد تبديل تعادلي را افزايش داد. مثلا به وسيله تبخير كردن ماده اي از راكتور فاز مايع. يك راه ديگر اين است كه واكنش در مراحل پشت سر هم همراه با جداسازي محصولات در مراحل مياني صورت گيرد.

2-3-1 دماي راكتور

انتخاب دماي راكتور به عوامل زيادي بستگي دارد. عموماً اين انتخاب بايد به گونه اي باشد كه سرعت هاي

زياد واكنش و حجم كمتر راكتور را ايجاد نمايد. به طور عملي محدوديت هايي در انتخاب دماي راكتور وجود

دارد، از جمله ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راكتور و يا حداكثر دماي عملكرد كاتاليست. بر

حسب نوع واكنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود.

-1-2-3-1 واكنشهاي گرماگير

اگر يك واكنش گرماگير باشد، عملكرد در دماي بالا باعث افزايش درصد تبديل مي شود . همچنين دماي بالا، سرعت واكنش را زياد و حجم راكتور را كم مي كند. بنابراين براي واكنش هاي گرماگير تا آنجا كه ممكن است، درجه حرارت بالا در نظر گرفته مي شود به گونه اي كه با ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راكتور و عمر كاتاليست مطابقت داشته باشد.

-1-2-3-1 واكنش هاي گرمازا

براي واكنش هاي برگشت ناپذير گرمازا، تا آنجا كه ممكن است، با توجه به ساختمان مواد، عمر كاتاليست و مسائل ايمني، بايد درجه حرارت را پايين در نظر گرفت. در اين صورت حجم راكتور حداقل خواهد شد. چنانچه واكنشي گرمازا و برگشت پذير باشد، عملكرد در دماي پايي ن حداكثر مقدار درصد تبديل را افزايش مي دهد. ليكن عملكرد در دماي پايين سرعت واكنش را كاهش مي دهد و در نتيجه باعث افزايش حجم راكتور خواهد شد. بنابراين در ابتداي واكنش يعني هنگامي كه از حالت تعادل دور هستيم؛ استفاده از درجه حرارت بالا به منظور افزايش سرعت واكنش برتري دارد. اما همانطور كه با گذشت زمان به حالت تعادل نزديك مي شويم، براي افزايش مقدار حداكثر درصد تبديل بايد درجه حرارت را پايين آورد. لذا براي واكنش هاي برگشت پذير گرمازا، همانطور كه درصد تبديل زياد مي شود، درجه حرارت ايده آل به طور مداوم كاهش مي يابد.

اگر در راكتور همراه واكنش اصلي واكنش هاي ديگري نيز صورت گيرد كه باعث توليد محصولات جانبي شوند، بايد در دمايي عمل كرد كه ميزان توليد محصول اصلي بيشتر باشد. اين كار اغلب به حداقل كردن حجم راكتور ترجيح دارد.

كنترل دما: در وهله اول عملكرد راكتور را آدياباتيك يا عايق بندي شده فرض مي كنيم . طراحي چنين سيستمي ساده ترين و ارزان ترين طراحي ممكن است. اگر عملكرد عايق بندي شده در واكنش هاي گرماز باعث افزايش غيرقابل پذيرش درجه حرارت و در واكنش هاي گرماگير باعث كاهش غيرقابل پذيرش درجه حرارت شود، با يكي از راهكارهاي زير سر و كار داريم.

-1 انتقال حرارت غيرمستقيم با راكتور: اگر امكان عملكرد آدياباتيك راكتور وجود نداشته باشد بايد از حرارت غير مستقيم و يا با خنك كردن غير مستقيم استفاده نمود. اين كار با استفاده از يك سطح انتقال حرارت داخلي يا خارجي در راكتور امكان پذير است مانند استفاده از كويل ها و ژاكت ها.

 

-2 تزريق گرم و تزريق سرد: تزريق مستقيم خوراك تازة سرد به نقاط مياني راكتور، تزريق سرد ناميده مي شود. اين عمل جهت كنترل دماي واكنش هاي گرمازا موثر است. اگر واكنش گرماگير باشد، مي توان خوراك تازه پيش گرم شده را به نقاط مياني راكتور تزريق كرد. اين عمل تزريق گرم نام دارد.

-3 حامل حرارت: افزايش يك ماده خنثي به خوراك راكتور، افزايش دماي واكنش هاي گرمازا و يا كاهش دما در واكنش هاي گرماگير را كاهش مي دهد. بايد تا آنجا كه ممكن است از يكي از سيالات موجود در فرايند به عنوان حامل استفاده كرد.

حتي اگر درجه حرارت راكتور در محدوده هاي قابل قبول كنترل شود، شايد لازم باشد كه جريان خروجي از راكتور به سرعت سرد شود تا واكنش سريعاً متوقف شده و از تشك يل بيش از اندازه فراورده هاي جانبي جلوگيري به عمل آيد. عمليات خنك كردن را مي توان به كمك انتقال حرارت غير مستقيم با استفاده از تجهيزات مناسب و يا به وسيله انتقال حرارت مستقيم از طريق مخلوط كردن با يك سيال ديگر انجام داد . وضعيتي كه معمولاً زياد با آن مواجه مي شويم زماني است كه محصولات گازي در يك راكتور نياز به سرد كردن سريع دارند و اين كار به وسيله مخلوط كردن محصول با يك مايع صورت مي گيرد كه در حين كار، مايع تبخير مي شود. حرارت لازم براي تبخير مايع باعث مي شود كه محصولات گازي به سرعت سرد شوند.

در واقع سرد كردن محصول خروجي از راكتور به كمك انتقال حرارت مستقيم به بسياري از دلايل مي توند

مورد استفاده قرار گيرد:

- واكنش بسيار سريع است و بايد فوراً متوقف شود تا از تشكيل فراورده هاي جانبيِ اضافي جلوگيري به عمل آيد.

- محصولات راكتور آنقدر داغ يا خورنده هستند كه اگر به ط ور مستقيم از يك مبدل عبور كنند، جنس ويژه اي براي ساختمان راكتور و مبدل يا طراحي مكانيكي گراني لازم خواهد بود.

- سرد كردن محصولات راكتور باعث مي شود كه ضريب كثيفي در مبدل هاي حرارتي متداول افزايش يابد. مايعي كه براي انتقال حرارت مستقيم بكار مي رود بايد به گون ه اي انتخاب شود كه به آساني قابل جداسازي از محصول و برگرداندن به راكتو ر باشد . در چنين وضعيتي هزينه عملياتي به حداقل خواهد رسيد.

- از استعمال مواد خارجي، يعني موادي كه بيش از اين در فرايند وجود نداشته اند، بايد اجتناب كرد. چراكه در اغلب موارد جداسازي و يا برگرداندن اين مواد با بازده بالا مشكل است. به علاوه مواد خارجي بازگشت داده نشده در جريان خروجي مشكل ساز خواهند بود.

 

 

-3-3-1 فشار راكتور

افزايش فشار در واكنش هاي برگشت ناپذير فاز بخار سرعت واكنش را زياد مي كند و لذا حجم راكتور را كاهش مي دهد. اين امر به دو علت ايجاد مي شود؛ هم به علت كاهش زمان اقامت مورد نياز براي يك تبديل معين در راكتور و هم به وسيله افزايش دانسيته بخ ار. به طور كلي پارامتر فشار اثر ناچيزي بر روي سرعت واكنش هاي فاز مايع دارد.

انتخاب فشار در واكنش هاي برگشت پذير فاز بخار به اين امر بستگي دارد كه آيا واكنش همراه با كاهش و يا افزايش در تعداد مول ها است و يا اينكه توليد محصول با واكنش ها و محصولات جانبي همراه است يا نه. اگر واكنش برگشت ناپذير با كاهش تعداد مول ها همراه باشد، افزايش فشار راكتور، درصد تبديل تعادلي و سرعت واكنش را افزايش و همچنين حج م راكتور را كاهش مي دهد ؛ بنابراين در اين حالت بايد فشار در بالاترين حد عملياتي تنظيم شود؛ نبايد از اين نكته غافل شد كه فشار بالا از طريق توان بالاتر كمپر سور تامين مي شود كه از نظر هزينه قابل توجه است. به علاوه ساختمان مكانيكي لازم براي فشار بالا هزينه گزاف ي را ايجاد مي كند.

در واكنش هاي برگشت ناپذير كه با افزايش تعداد مولها همراه است كاهش در فشار راكتور، درصد تبديل تعدلي را افزايش مي دهد؛ ليكن عملكرد تحت يك فشار كم، سرعت واكنش هاي فاز بخار را كاهش و حجم راكتور را افزايش مي دهد. بنابراين در ابتداي كار كه از تعادل دور هستيم، استفاده از فشارهاي بالا به منظور افزايش سرعت واكنش مناسب تر است؛ اما هنگامي كه به شرايط تعادلي نزديك مي شويم، براي افزايش درصد تبديل بالا فشار را بايد كاهش داد.

اگر در راكتور واكنش هاي جانبي و محصولات جانبي نيز توليد شود، فشار بايد به گونه اي انتخاب شود كه محصولات جانبي كمتري توليد شود. در اين حالت اغلب افزايش توليد محصول مطلوب نسبت به حجم راكتور ترجيح داده

 مي شود.

براي واكنش هاي فاز مايع فشار اثر بسيار كمي دارد و فشار احتمالاً بايد به گونه اي انتخاب شود كه:

- از تبخير محصولات جلوگيري كند

- اجازه دهد تا يكي از محصولات در واكنش برگشت پذير تبخير شود؛ زيرا با خروج اين جزء مقدار حداكثر درصد تبديل افزايش مي يابد.

-4-3-1 فاز راكتور

اگر امكان يك انتخاب آزاد بين واكنش هاي فاز مايع و واكنش هاي فاز گاز وجود داشته باشد، معمولاً عمل در فاز مايع ترجيح داده مي شود چون حجم راكتور مورد نياز در واكنش هاي فاز مايع كوچكتر است و نيز تجهيزات مورد استفاده براي فاز مايع كم هزينه تر مي باشد. عدم كارايي راكتور در استفاده از مواد ورودي مي تواند به صورت هاي زير باشد:

-1 چنانچه درصد تبديل بدست آمده در راكتور پايين بوده و جدا كردن و بازگرداندن خوراك واكنش نداده دشوار باشد.

-2 از طريق تشكيل فراورده هاي جانبي ناخوسته، گاهي اوقات فراورده هاي جانبي خوراك محصول با ارزش است، گاهي اوقات به عنوان يك سوخت ارزش دارد.  اما گاهي اوقات مشكل آفرين بوده و نياز به فرايندهاي تصفيه پساب گران قيمت دارد.

-3 ناخالصي هاي خوراك مي تواند واكنش را به تشكيل فراورده هاي جانبي سوق دهد. بهترين راه اجتناب از اين امر، خالص سازي خوراك قبل از واكنش است. كارايي خوب راكتور مستلزم كنترل دقيق متغيرهاي عملياتي مانند فشار، دما و غلظت مي باشد.

 

-4-1 بررسي راكتورهاي پليمريزاسيون

واكنشهاي پليمريزاسيون با توجه به تنوع توليدشان از استفاده كننده هاي عمده راكتورها به شمار مي روند. البته ساختار كلي راكتورها تفاوت چنداني با راكتورهاي ساير مواد ندارد.

 

-2-4-1 تعاريف و بيان تفاوتها

تمامي اجزاء مخلوط واكنش به راكتور وارد مي شوند و تا پايان (Batch Reactors) در راكتورهاي ناپيوسته واكنش در راكتور باقي مي مانند. معمولاً در ابتداي پليمريزاسيون در راكتورهاي ناپيوسته يك گرم كن وجود دارد كه طي آن دماي مخلوط به دماي لازم براي شروع واكنش افزايش داده مي شود. سپس واكنش پليمريزاسيون شروع شده و به علت گرمازايي قابل توجه آن دماي مخلوط واكنش مي تواند افزايش يابد به همين دليل در راكتورهاي ناپيوسته بايد قابليت گرم و سرد كردن سريع و كافي و همچنين سيستم كنترل درجه حرارت موثر پي شبيني گردد.

فرايندهاي ناپيوسته براي پليمريزاسيون با درجه تبديل بالا مناسب است. از طرف ديگر اين سيستمها برا ي بروز انفجار حرارتي مستعد هستند. فرايندهاي ناپيوسته عمدتاً در زمينه پليمريزاسيون راديكالي به كار مي روند. در راكتورهاي نيمه پيوسته مواد برخي :(Semi Batch) يا نيمه ناپيوسته (Semi Continuous Reactors) از مواد واكنش كننده ممكن است به تدريج به راكتور اضافه شوند . يا آنكه محصولات جانبي توليد شده در طي واكنش از راكتور خارج گردند. در بسياري از پليمريزاسيونهاي راديكالي معمول است كه منومر، حلال و يا شروع كننده را به منظور حفظ درجه حرارت و افزايش سرعت توليد به تدريج به راكتور اضافه مي كنند . اضافه كردن تدريجي كومنومر در كوپليمريزاسيون نيز وقتي كه اختلاف فعاليت منومرها زياد است از جمله كاربردهاي اين فرايند است. در پليمريزاسيونهاي نيمه پيوسته ممكن است كه تمامي مواد واكنش كننده در ابتداي واكنش به راكتور اضافه گردند ولي قبل از تشكيل محصولات جانبي ، بايد از راكتور خارج شو ند. پليمريزاسيونهاي مرحله اي از اين نوع سيستمها هستند. تبخير محصولات جانبي يك عامل موثر در جذب حرارت واكنش است كه در برخي از موارد مي تواند به قدري شديد باشند كه باعث افت دماي واكنش گردد . در اين حالت براي جبران حرارت از دست رفته حتي ممكن است نياز به حرارت دهي نيز باشد . راكتورهايي كه براي فرايند نيمه پيوسته مورد استفاده قرار مي گيرند مشابه با راكتورهاي ناپيوسته است با اين تفاوت كه امكان افزايش مداوم مواد اوليه به آن و يا خروج محصولات جانبي از آن پيش بيني شده است. در راكتورهاي پيوسته مواد واكنش دهنده با شدت جريان ثابت به درون راكتور رانده شده و (Continuous Reactors) محصولات نيز به طور مداوم از راكتور خارج مي گردند.

پس از راه اندازي يك راكتور پيوسته، راكتور پس از عبور از يك حالت انتقالي به يك شرايط پايدار مي رسد. در اين شرايط شدت حرارت زائي سيستم نيز به مقدار ثابتي م يرسد. فرايندهاي مداوم عمليات آسان تر و هزينه كمتري دارد و هنگامي كه ظرفيت توليد بالا باشد مورد استفاده قرار مي گيرند. در موارد خاص پليمريزاسيون در راكتورهاي ناپيوسته كه داراي انعطاف پذيري بيشتري براي توليد پليمرهايي با درجا ت تبديل مختلف هستند، انجام مي گيرد.

 

(Continuous Stirred Tank Reactors ,CSTR) فرايندهاي پيوسته در راكتورهاي همزن دار قابل انجام است. راكتورهاي همزن دار پيوسته مشابه با (Tubular Reactor) و راكتورهاي لوله اي راكتورهاي ناپيوسته هستند با اين تفاوت كه امكان ورود مداوم مواد اوليه به آنها و خروج محصول نهايي از آنها پيش بيني شده است.در شكل نمونه اي از راكتور همزن دار را مشاهده مي كنيد.

 

 

 

 

 

در صنعت براي پليمريزاسيون امولسيوني مثل (Cascade) از راكتورهاي همزن دار پيوسته به صورت سري

وينيل كلرايد و وينيل استات استفاده مي گردد. در راكتورهاي لوله اي به منظور جذب حرارت آزاد شده، قطر

راكتور همواره كوچك اختيار مي شود.در شكل زير نمونه اي از اين نوع را مي بينيد.

-3-4-1 انجام فرايندهاي مختلف پليمريزاسيون در راكتورهاي پليمريزاسيون

 

تكنولوژي پليمريزاسيون جرمي براي پليمريزاسيونهاي با رشد مرحله اي، مرسوم است، زيرا به واسطه كمي انرژي آزاد شده، جذب حرارت به سهولت انجام مي پذيرد. به علت پايين بودن ويسكوزيته تا درجات تبديل بالا، اختلاط نيز به نحو موثري قابل انجام است . حرارت آزاد شده قابل توجه و افزايش سريع ويسكوزيته در پليمريزاسيون با رشد زنجيري، كارايي تكنولوژي جرمي را براي اين نوع مكانيسم پليمريزاسيون كاهش مي دهد . زيرا بر خلاف حالت قبل، افزايش سريع ويسكوزيته و در نتيجه عدم امكان كنترل درجه حرارت، دستيابي به درجات تبديل بالا را مقدور نمي سازد. محلول پليمريزاسيون جرمي از درجه خلوص بالايي برخوردار بوده و عمليات تخليص كمتري را مي طلبد. انجام پليمريزاسيون در حضور يك حلال از مشكلات انتقال حرارت و اختلاط مي كاهد. پليمر و منومر در داخل حلال محلول هستند . علاوه بر اين ويسكوزيته كمتر سبب بهبود اختلاط و كارايي شروع كننده مي گردد. مهمترين نقطه ضعف اين روش هزينه جداسازي حلال و بازيابي آن است . ويسكوزيته سيستم پليمريزاسيون تعليقي در طول واكنش نسبتاً ثابت باقي مانده و عمدتاً به وسيله ويسكوزيته فاز مداوم (آب) تعيين مي گردد.

اغلب پليمرها داراي دانسيته بيشتري نسبت به منومرهاي خود هستند. به اين جهت در پليمري زاسيون تعليقي سيستم اختلاط بايد به گونه اي انتخاب گردد كه در ابتدا منومرهاي از سطح به زير كشيده شده و در داخل فاز آبي پراكنده شوند و در انتها از ته نشيني ذرات جامد پليمري جلوگيري به عمل آورده و آنها را به طور يكنواخت در داخل فاز پيوسته پراكنده سازد. فاز پيوسته به عنوان عامل انتقال حرارت عمل نموده و در نتيجه كنترل درجه حرارت در اين فرايند ساده تر از نوع جرمي است. چسبندگي و رسوب پليمر نيز به مراتب كمتر از فرايند جرمي مشاهده مي شود. پليمريزاسيون تعليقي به عنوان مرحله دوم فرايند جرمي نيز قابليت كاربرد دارد (مانند فرايند توليد پلي استيرن مقاوم). زيرا معمولاً ادامه پليمريزاسيون تا رسيدن به درجه تبديل نهايي توسط فرايند تعليقي انجام مي گيرد. پس از پايان پليمريزاسيون، دانه هاي پليمري از طريق سانتريفوژ جدا و خشك مي گردند.

 

اختلاط در پليمريزاسيون امولسيوني نسبت به پليمر يزاسيون تعليقي از اهميت كمتري برخوردار است و عمدتاً جهت تسهيل انتقال حرارت طراحي مي شود . كاربرد زياذ امولسيفاير در پليمريزاسيون امولسيوني، جداسازي آن را در پايان واكنش دشوار مي سازد . به همين سبب معمولاً از فرايندهاي امولسيوني در جايي استفاده مي شود كه در ش كل نهايي مصرف به صورت لاتكس يا امولسيون باشد (مانند امولسيون نهايي اكريليك). در صورت لزوم استفاده از پليمر خالص، محلول پليمريزاسيون ابتدا منعقد و سپس دانه هاي پليمر به كمك فيلتر جدا و خشك مي گردد.

 

 

-6-4-1 طراحي راكتور

واكنشهاي پليمريزاسيون به ميزان قابل توجهي انرژي آزاد مي كنند. در واكنشهاي مواد با وزن مولكولي كم بالاترين شدت حرارت در ابتداي واكنش كه در آن غلظت مواد واكنش كننده حداكثر است رخ مي دهد . در حاليكه در واكنشهاي پليمريزاسيون به ويژه نوع جرمي آن به علت وقو ع اثر ژل و افرايش ناگهاني سرعت واكنش نقطه اوج آزادسازي حرارت در اواسط واكنش رخ مي دهد . متوسط مقدار حرارت آزاد شده و همچنين حداكثر مقدار آن همسو با درجه حرارت و مقدار شروع كننده تغيير ميكند . مقاديرحرارت و به ويژه حرارت ماكزيمم در پليمريزاسيون متيل متاكريلات به مراتب بيشتر از پليمريزاسيون استيرن است . اين اختلاف ريشه در وجوذ اثرژل قوي در پليمريزاسيون متيل متاكريلات نسبت به استيرن دارد. در مورد متيل متاكريلات اثر ژل در اوايل واكنش رخ ميدهد. از اين رو حرارت آزاد شده داراي يك نقطه اوج كاملاً متمايز است. در حاليكه اثر ژل در مورداستيرن در اواسط واكنش به وقوع ميپيوندد يعني در جايي كه سرعت واكنش پليمريزاسيون به واسطه مصرف مونومر و شروع كننده بسيار كم شده است. بنابراين ممكن است كه حتي اثر ژل نيز قادر به افزايش سرعت واكنش تا مرز مقادير اوليه آن نباشد.