رآکتورهای شیمیایی (chemical reactors) مخازنی هستند که برای انجام واکنشهای شیمیایی ساخته میشوند. یک مثال از رآکتورها میتواند رآکتور تحت فشار (pressure reactor) باشد. طراحی یک رآکتور شیمیایی نیاز به استفاده از جنبههای مختلفی از مهندسی شیمی دارد.
مهندسان شیمی، طراحی رآکتور را برای به حداکثر رساندن ارزش خالص فعلی (net present value) برای واکنش انجام میدهند. طراحان اطمینان حاصل میکنند که واکنش با بالاترین بهرهوری به سمت محصول مورد نظر پیشرفت خواهد کرد و بیشترین میزان محصول با نیاز به حداقل هزینه خرید و بهرهبرداری تولید خواهد شد. هزینههای بهرهبرداری معمول شامل انرژی ورودی، خروج انرژی، هزینه مواد اولیه، نیروی کار و غیره میباشد. تغییر انرژی میتواند به صورت گرمایش یا خنککاری، پمپاژ برای افزایش فشار، افت فشار اصطکاکی، مخلوط کردن و غیره باشد.
انواع مخازن رآکتور
هر دو نوع رآکتور میتوانند به صورت پیوسته (continuous) و یا بسته (batch) مورد استفاده قرار گیرند. بیشتر رآکتورها به صورت دایمی (steady state) مورد استفاده قرار میگیرند ولی میتوانند به صورت گذرا (transient state) نیز استفاده شوند. هنگامی که یک رآکتور برای نخستین بار وارد بهرهبرداری میشود (پس از تعمیرات و یا عدم استفاده)، میتوان آن را به صورت گذرا در نظر گرفت که در آن متغیرهای کلیدی فرآیند با زمان تغییر میکنند. هر دو نوع رآکتور میتوانند یک یا چند ماده جامد (واکنشگر، کاتالیست و یا مواد بیاثر) را در خود جای دهند اما واکنشگرها و محصولات معمولا مایعات و گازها هستند.
مدلهای رآکتورهای شیمیایی
برای برآورد مهمترین متغیرهای فرآیندی در رآکتور های شیمیایی، سه مدل اصلی مختلف وجود دارد:
متغیرهای فرآیندی کلیدی عبارتاند از:
یک رآکتور شیمیایی، معمولا رآکتور لولهای، میتواند به صورت یک بستر دانهای (packed bed) باشد. برای تسریع واکنش شیمیایی، دانههای داخل بستر میتوانند دارای کاتالیست باشند. همچنین رآکتور شیمیایی میتواند بستر سیالسان (fluidized bed) باشد.
مهندسان شیمی، طراحی رآکتور را برای به حداکثر رساندن ارزش خالص فعلی (net present value) برای واکنش انجام میدهند. طراحان اطمینان حاصل میکنند که واکنش با بالاترین بهرهوری به سمت محصول مورد نظر پیشرفت خواهد کرد و بیشترین میزان محصول با نیاز به حداقل هزینه خرید و بهرهبرداری تولید خواهد شد. هزینههای بهرهبرداری معمول شامل انرژی ورودی، خروج انرژی، هزینه مواد اولیه، نیروی کار و غیره میباشد. تغییر انرژی میتواند به صورت گرمایش یا خنککاری، پمپاژ برای افزایش فشار، افت فشار اصطکاکی، مخلوط کردن و غیره باشد.
انواع مخازن رآکتور
- رآکتور تانکی یا رآکتور مخزنی (tank reactor)
- رآکتور لولهای (pipe reactor) یا رآکتور تیوبی (tubular reactor) یا رآکتور جریان آرام (laminar flow reactor, LFR)
هر دو نوع رآکتور میتوانند به صورت پیوسته (continuous) و یا بسته (batch) مورد استفاده قرار گیرند. بیشتر رآکتورها به صورت دایمی (steady state) مورد استفاده قرار میگیرند ولی میتوانند به صورت گذرا (transient state) نیز استفاده شوند. هنگامی که یک رآکتور برای نخستین بار وارد بهرهبرداری میشود (پس از تعمیرات و یا عدم استفاده)، میتوان آن را به صورت گذرا در نظر گرفت که در آن متغیرهای کلیدی فرآیند با زمان تغییر میکنند. هر دو نوع رآکتور میتوانند یک یا چند ماده جامد (واکنشگر، کاتالیست و یا مواد بیاثر) را در خود جای دهند اما واکنشگرها و محصولات معمولا مایعات و گازها هستند.
مدلهای رآکتورهای شیمیایی
برای برآورد مهمترین متغیرهای فرآیندی در رآکتور های شیمیایی، سه مدل اصلی مختلف وجود دارد:
- مدل رآکتور بسته یا بچ (batch reactor)
- مدل رآکتور تانکی با همزنی پیوسته (continuous stirred-tank reactor) یا CSTR
- مدل رآکتور جریان پلاگ (plug flow reactor) یا PFR
متغیرهای فرآیندی کلیدی عبارتاند از:
- زمان اقامت (residence time, τ): زمان متوسط حضور ماده واکنش درون مخزن
- حجم (V)
- دما (T)
- فشار (P)
- غلظت گونههای شیمیایی (C1, C2, C3, …Cn)
- ضریب انتقال حرارت (U, h)
یک رآکتور شیمیایی، معمولا رآکتور لولهای، میتواند به صورت یک بستر دانهای (packed bed) باشد. برای تسریع واکنش شیمیایی، دانههای داخل بستر میتوانند دارای کاتالیست باشند. همچنین رآکتور شیمیایی میتواند بستر سیالسان (fluidized bed) باشد.