Lò phản ứng hóa học là gì? Các loại lò phản ứng hóa học

2024 Tác giả: Howard Calhoun | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-02 14:05

Phản ứng hóa học là một quá trình dẫn đến sự biến đổi của các chất phản ứng. Nó được đặc trưng bởi những thay đổi dẫn đến một hoặc nhiều sản phẩm khác với sản phẩm ban đầu. Các phản ứng hóa học có bản chất khác. Nó phụ thuộc vào loại thuốc thử, chất thu được, điều kiện và thời gian tổng hợp, phân hủy, chuyển vị, đồng phân hóa, axit-bazơ, oxy hóa khử, các quá trình hữu cơ, v.v.

Lò phản ứng hóa học là những thùng chứa được thiết kế để thực hiện các phản ứng nhằm tạo ra sản phẩm cuối cùng. Thiết kế của chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau và phải cung cấp sản lượng tối đa theo cách hiệu quả nhất về chi phí.

Lượt xem

Có ba mô hình cơ bản chính của lò phản ứng hóa học:

• Định kỳ.
• Được khuấy liên tục (CPM).
• Lò phản ứng dòng kiểu pit tông (PFR).

Các mô hình cơ bản này có thể được sửa đổi để đáp ứng các yêu cầu của quy trình hóa học.

Lò phản ứng hàng loạt

Các đơn vị hóa học thuộc loại này được sử dụng trong các quy trình hàng loạt với khối lượng sản xuất thấp, thời gian phản ứng dài hoặc nơi đạt được độ chọn lọc tốt hơn, như trong một số quy trình trùng hợp.

Đối với điều này, ví dụ, các thùng chứa bằng thép không gỉ được sử dụng, bên trong được trộn với các cánh quạt làm việc bên trong, bong bóng khí hoặc sử dụng máy bơm. Kiểm soát nhiệt độ được thực hiện bằng cách sử dụng áo khoác trao đổi nhiệt, bộ làm mát tưới tiêu hoặc bơm qua bộ trao đổi nhiệt.

Lò phản ứng hàng loạt hiện đang được sử dụng trong các ngành công nghiệp hóa chất và chế biến thực phẩm. Việc tự động hóa và tối ưu hóa chúng tạo ra những khó khăn, vì cần phải kết hợp các quy trình liên tục và rời rạc.

Lò phản ứng hóa học bán mẻ kết hợp hoạt động liên tục và hàng loạt. Ví dụ, một lò phản ứng sinh học được nạp định kỳ và liên tục thải ra carbon dioxide, khí này phải được loại bỏ liên tục. Tương tự, trong phản ứng clo hóa, khi khí clo là một trong những chất phản ứng, nếu không được đưa vào liên tục, phần lớn nó sẽ bay hơi.

Để đảm bảo khối lượng sản xuất lớn, chủ yếu sử dụng lò phản ứng hóa học liên tục hoặc bể chứa kim loại với máy khuấy hoặc dòng chảy liên tục.

Lò phản ứng được khuấy liên tục

Thuốc thử dạng lỏng được đưa vào bồn chứa bằng thép không gỉ. Để đảm bảo sự tương tác thích hợp, chúng được trộn lẫn bởi các cánh làm việc. Do đó trongTrong các lò phản ứng kiểu này, các chất phản ứng liên tục được đưa vào bể đầu tiên (thẳng đứng, thép), sau đó chúng đi vào các bể tiếp theo, đồng thời được trộn kỹ trong từng bể. Mặc dù thành phần của hỗn hợp là đồng nhất trong từng bể riêng lẻ, nhưng trong toàn bộ hệ thống, nồng độ khác nhau giữa các bể.

Khoảng thời gian trung bình mà một lượng thuốc thử rời rạc sử dụng trong bể (thời gian lưu trú) có thể được tính bằng cách đơn giản chia thể tích của bể cho tốc độ dòng thể tích trung bình qua nó. Phần trăm hoàn thành dự kiến của phản ứng được tính bằng cách sử dụng động học hóa học.

Xe tăng được làm bằng thép không gỉ hoặc hợp kim, cũng như phủ men.

Một số khía cạnh quan trọng của NPM

Tất cả các tính toán đều dựa trên sự pha trộn hoàn hảo. Phản ứng tiến hành với tốc độ liên quan đến nồng độ cuối cùng. Ở trạng thái cân bằng, tốc độ dòng chảy phải bằng tốc độ dòng chảy, nếu không bể sẽ bị tràn hoặc rỗng.

Thường sẽ tiết kiệm chi phí khi làm việc với nhiều HPM nối tiếp hoặc song song. Các bồn chứa bằng thép không gỉ được lắp ráp thành một tầng gồm năm hoặc sáu đơn vị có thể hoạt động giống như một lò phản ứng dòng chảy. Điều này cho phép thiết bị đầu tiên hoạt động ở nồng độ chất phản ứng cao hơn và do đó tốc độ phản ứng nhanh hơn. Ngoài ra, một số giai đoạn của HPM có thể được đặt trong một thùng thép thẳng đứng, thay vì các quy trình diễn ra trong các thùng chứa khác nhau.

Trong phiên bản nằm ngang, thiết bị nhiều tầng được phân chia bởi các vách ngăn thẳng đứng với nhiều độ cao khác nhau, qua đó hỗn hợp chảy theo tầng.

Khi các chất phản ứng được trộn lẫn kém hoặc khác nhau đáng kể về tỷ trọng, một lò phản ứng nhiều tầng thẳng đứng (lót hoặc thép không gỉ) được sử dụng ở chế độ ngược dòng. Điều này có hiệu quả để thực hiện các phản ứng thuận nghịch.

Lớp giả lỏng nhỏ được trộn đều. Một lò phản ứng tầng sôi thương mại lớn có nhiệt độ đồng nhất về cơ bản, nhưng là sự pha trộn của các dòng có thể trộn lẫn và chuyển vị và các trạng thái chuyển tiếp giữa chúng.

Lò phản ứng hóa học dòng cắm

RPP là một lò phản ứng (không gỉ), trong đó một hoặc nhiều chất phản ứng lỏng được bơm qua một đường ống hoặc các đường ống. Chúng còn được gọi là dòng chảy hình ống. Nó có thể có nhiều ống hoặc nhiều ống. Thuốc thử liên tục đi vào qua một đầu và sản phẩm thoát ra từ đầu kia. Các quá trình hóa học xảy ra khi hỗn hợp đi qua.

Trong RPP, tốc độ phản ứng là gradient: ở đầu vào là rất cao, nhưng với sự giảm nồng độ của thuốc thử và tăng hàm lượng của sản phẩm đầu ra, tốc độ của nó chậm lại. Thông thường sẽ đạt đến trạng thái cân bằng động.

Cả hướng lò phản ứng ngang và dọc đều phổ biến.

Khi cần truyền nhiệt, các ống riêng lẻ được bọc ngoài hoặc sử dụng bộ trao đổi nhiệt dạng vỏ và ống. Trong trường hợp thứ hai, các hóa chất có thểcả trong vỏ và ống.

Hộp đựng bằng kim loại có đường kính lớn với vòi phun hoặc bồn tắm tương tự như RPP và được sử dụng rộng rãi. Một số cấu hình sử dụng dòng hướng trục và hướng tâm, nhiều lớp vỏ với bộ trao đổi nhiệt tích hợp, vị trí lò phản ứng ngang hoặc dọc, v.v.

Bình thuốc thử có thể chứa đầy xúc tác hoặc chất rắn trơ để cải thiện sự tiếp xúc bề mặt trong các phản ứng dị thể.

Điều quan trọng trong RPP là các tính toán không tính đến sự trộn theo chiều dọc hoặc chiều ngang - đây là ý nghĩa của thuật ngữ "dòng phích cắm". Thuốc thử có thể được đưa vào lò phản ứng không chỉ qua đầu vào. Do đó, có thể đạt được hiệu quả cao hơn của RPP hoặc giảm quy mô và chi phí của nó. Hiệu suất của RPP thường cao hơn so với HPP có cùng khối lượng. Với các giá trị thể tích và thời gian trong lò phản ứng piston bằng nhau, phản ứng sẽ có tỷ lệ phần trăm hoàn thành cao hơn so với các đơn vị trộn.

Cân bằng động

Đối với hầu hết các quy trình hóa học, không thể hoàn thành 100 phần trăm. Tốc độ của chúng giảm dần theo sự tăng trưởng của chất chỉ thị này cho đến thời điểm hệ đạt trạng thái cân bằng động (khi phản ứng toàn phần hoặc sự thay đổi thành phần không xảy ra). Điểm cân bằng cho hầu hết các hệ thống là dưới 100% quá trình hoàn thành. Vì lý do này, cần phải thực hiện quá trình phân tách, chẳng hạn như chưng cất, để tách các chất phản ứng hoặc sản phẩm phụ còn lại khỏiMục tiêu. Những thuốc thử này đôi khi có thể được sử dụng lại khi bắt đầu một quy trình, chẳng hạn như quy trình Haber.

Ứng dụng của PFA

Lò phản ứng dòng piston được sử dụng để thực hiện quá trình biến đổi hóa học của các hợp chất khi chúng di chuyển qua một hệ thống dạng ống cho các phản ứng quy mô lớn, nhanh chóng, đồng nhất hoặc không đồng nhất, sản xuất liên tục và các quá trình sinh nhiệt cao.

Một RPP lý tưởng có thời gian lưu trú cố định, tức là bất kỳ chất lỏng nào (pít-tông) đi vào tại thời điểm t sẽ rời khỏi nó tại thời điểm t + τ, trong đó τ là thời gian lưu trú trong cài đặt.

Lò phản ứng hóa học loại này có hiệu suất cao trong thời gian dài, cũng như truyền nhiệt tuyệt vời. Nhược điểm của RPP là khó kiểm soát nhiệt độ quy trình, có thể dẫn đến biến động nhiệt độ không mong muốn và chi phí của chúng cao hơn.

Lò phản ứng xúc tác

Mặc dù các loại thiết bị này thường được thực hiện dưới dạng RPP, nhưng chúng yêu cầu bảo trì phức tạp hơn. Tốc độ của một phản ứng xúc tác tỷ lệ với lượng chất xúc tác tiếp xúc với hóa chất. Trong trường hợp có chất xúc tác rắn và chất phản ứng dạng lỏng, tốc độ của các quá trình tỷ lệ thuận với diện tích có sẵn, đầu vào của hóa chất và việc thu hồi sản phẩm và phụ thuộc vào sự có mặt của sự trộn hỗn loạn.

Một phản ứng có xúc tác trong thực tế thường gồm nhiều bước. Không chỉcác chất phản ứng ban đầu tương tác với chất xúc tác. Một số sản phẩm trung gian cũng phản ứng với nó.

Hoạt động của các chất xúc tác cũng rất quan trọng trong động học của quá trình này, đặc biệt là trong các phản ứng hóa dầu ở nhiệt độ cao, vì chúng bị vô hiệu hóa bởi quá trình thiêu kết, luyện cốc và các quá trình tương tự.

Áp dụng công nghệ mới

RPP được sử dụng để chuyển đổi sinh khối. Lò phản ứng áp suất cao được sử dụng trong các thí nghiệm. Áp suất trong chúng có thể đạt tới 35 MPa. Việc sử dụng một số kích cỡ cho phép thời gian lưu trú thay đổi từ 0,5 đến 600 s. Để đạt được nhiệt độ trên 300 ° C, người ta sử dụng các lò phản ứng đốt nóng bằng điện. Sinh khối được cung cấp bởi máy bơm HPLC.

RPP sol khí hạt nano

Có một mối quan tâm đáng kể đến việc tổng hợp và ứng dụng các hạt nano cho các mục đích khác nhau, bao gồm các hợp kim hợp kim cao và chất dẫn màng dày cho ngành công nghiệp điện tử. Các ứng dụng khác bao gồm đo độ cảm từ, truyền tia hồng ngoại xa và cộng hưởng từ hạt nhân. Đối với các hệ thống này, cần phải tạo ra các hạt có kích thước được kiểm soát. Đường kính của chúng thường nằm trong khoảng từ 10 đến 500 nm.

Do kích thước, hình dạng và diện tích bề mặt riêng cao, những hạt này có thể được sử dụng để sản xuất chất màu mỹ phẩm, màng, chất xúc tác, gốm sứ, lò phản ứng xúc tác và quang xúc tác. Ví dụ ứng dụng cho các hạt nano bao gồm SnO₂cho cảm biếncarbon monoxide, TiO₂cho dẫn hướng ánh sáng, SiO_{2cho silicon dioxide dạng keo và sợi quang học, C cho chất độn carbon trong lốp xe, Fe để làm vật liệu ghi, Ni cho pin và ở mức độ thấp hơn là palađi, magiê và bitmut. Tất cả các vật liệu này được tổng hợp trong các lò phản ứng aerosol. Trong y học, các hạt nano được sử dụng để ngăn ngừa và điều trị nhiễm trùng vết thương, trong cấy ghép xương nhân tạo và để chụp ảnh não.}

Ví dụ về sản xuất

Để thu được các hạt nhôm, một dòng argon bão hòa hơi kim loại được làm lạnh trong RPP có đường kính 18 mm và dài 0,5 m từ nhiệt độ 1600 ° C với tốc độ 1000 ° C / s. Khi khí đi qua lò phản ứng, sự tạo mầm và lớn lên của các hạt nhôm xảy ra. Tốc độ dòng chảy là 2 dm3/ phút và áp suất là 1 atm (1013 Pa). Khi nó di chuyển, chất khí nguội đi và trở nên quá bão hòa, dẫn đến sự tạo mầm của các hạt do va chạm và sự bay hơi của các phân tử, lặp đi lặp lại cho đến khi hạt đạt đến kích thước tới hạn. Khi chúng di chuyển qua khí siêu bão hòa, các phân tử nhôm ngưng tụ lại trên các hạt, làm tăng kích thước của chúng.