راکتور
اغلب فرآیندهای تولید مواد و محصولات شیمیایی توأم با تغییر ماهیت شیمیایی مواد اولیه و تبدیل آنها به مواد دیگر می باشد . این تغییر ماهیت ، ناشی از واکنش مواد اولیه است . انجام این تغییرات و واکنش ها در تجهیزاتی به نام راکتور یا واکنشگاه صورت می گیرد.
واکنش بین مواد شیمیایی می تواند در فازهای مختلف صورت بگیرد . بعنوان مثال یکی از مواد کنشگر می تواند مایع و دیگری بشکل گاز یا جامد باشد . اگر واکنشگرها هم فاز باشند واکنش را همگن و اگر واکنشگرها غير هم فاز باشند واکنش را ناهمگن می گویند . در یک واکنش شیمیایی ، بطور همزمان هم ماده مورد نظر تشکیل می گردد و هم ممکن است مواد ناخواسته دیگری بعنوان محصولات مطلوب واکنش تشکیل گردد . در یک فعالیت اقتصادی ، هدف حداکثر کردن تولید محصول مطلوب می باشد . این امر در صنعت شیمیایی می تواند از طریق دو راهکار زیر محقق گردد .
الف) انتخاب نوع مناسب راکتور و تعیین شرایط مطلوب عملیاتی نظیر دما و فشار
ب) استفاده از کاتالیزور
کاتالیزورها موادی هستند که سرعت واکنش را اغلب افزایش داده و گاهی نیز در صورت نیاز و به نوع واکنش سبب کاهش سرعت واکنش می گردند . همچنین کاتالیزورها باعث می شوند واکنش در دماها و فشارهای پایین تر انجام شود. کاتالیزور در تحولات شیمیایی بدون تغییر باقی مانده و خاصیت شیمیایی و فیزیکی خود را حفظ می نماید.
اگر در یک راکتور چند واکنش بطور همزمان صورت بگیرد یک کاتالیزور مناسب می تواند سرعت تولید محصول مطلوب را افزایش داده و با کاهش سرعت واکنش های نامطلوب از تولید مواد ناخواسته و نامطلوب بکاهد.
راکتورها بسته به نوع واکنش و نیز هدف از واکنش و همچنین میزان تولید مواد در آن به انواع مختلف ، نظیر راکتورهای ناپیوسته ، نیمه پیوسته ، پیوسته ، راکتورهای با جریان قالبی و راکتورهای مخلوط شونده طبقه بندی می گردند. راکتورها می توانند در شرایط دمایی کم یا زیاد و نیز فشارهای خلاء تا فشارهای بالا عمل نمایند .
انواع راکتور
در این مبحث بصورت مختصر انواع راکتورهای مورد اشاره معرفی می گردند .
راکتور ناپیوسته :
در راکتور نوع ناپیوسته ، کاتالیزور و واکنشگرها یکبار و در ابتدا وارد راکتور شده و پس از گذشت زمان لازم جهت واکنش ، محصولات و کلیه محتویات راکتور تخلیه می گردد .
از دیدگاه تاریخی ، راکتورهای ناپیوسته از آغاز صنعت شیمیایی مورد استفاده بوده و هنوز هم به صورت وسیعی در تولید مواد شیمیایی با ارزش افزودنی بالا نظير داروسازی مورد استفاده قرار می گیرد . راکتورهای ناپیوسته در موارد ذیل استفاده می شود :
- تولید مواد شیمیایی در مقیاس های کوچک صنعتی
- آزمایش کردن فرآیندهای کوچک ناشناخته
- تولید محصولاتی که تولید صنعتی آنها در شرایط مداوم مشکل است
امتیاز راکتورهای ناپیوسته در این است که با فراهم آوردن زمان لازم برای انجام واکنش ، مواد اولیه با راندمان بالا به محصولات مورد نظر تبدیل می گردند . استفاده از این نوع راکتورها محدود به واکنشهای متجانس فاز مایع می باشد . از دیگر محدودیتهای این نوع راکتورها بالا بودن هزینه تولید در واحد حجم محصول تولید شده می باشد . تولید صنعتی در مقیاس بالا در اینگونه راکتورها مشکل است.
راکتور نیمه پیوسته :
راکتور نیمه پیوسته نیز همان ازمون های راکتور ناپیوسته را دارد . از امتیازات راکتورهای نیمه پیوسته ، کنترل خوب حرارت ، کنترل واکنشهای نامطلوب و محدود کردن تولید محصولات ناخواسته می باشد . این عمل از طریق وارد کردن تدریجی برای یکی از اجزاء ترکیب شونده میسر می گردد . راکتورهای نیمه پیوسته برای واکنشهای دو اما یکی از اجزاء ترکیب شونده گازی باشد مورد استفاده قرار می گیرد . جزء گازی به صورت حباب داخل فاز مایع درون راکتور تغذیه می گردد.
راکتور مخلوط شونده :
راکتور مخلوط شونده در شرایطی که یک واکنش شیمیایی احتیاج به اختلاط شدید داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد . راکتورهای مخلوط شونده به تنهایی به صورت بر سر هم متصل می گردند . کنترل حرارتی در این نوع راکتورها به آسانی انجام می گیرد . در مقایسه با سایر راکتورها درصد تبدیل مواد در آنها به ازای واحد حجم محصول تولیدی پایین تر می باشد . به همین دلیل برای دستیابی به میزان مطلوب محصول مورد نظر ، استفاده از راکتور با حجم های بزرگتر ضروری است .
راکتورهای مخلوط شونده برای اغلب ، واکنشهای متجانس در فاز مایع استفاده می شود .
راکتور لوله ای :
در صنایع شیمیایی برای فرآیندهایی با مقیاس بزرگ ، معمولا از راکتورهای لوله ای استفاده شود . این راکتورها معمولا بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با معابر راکتورهای سیستم پیوسته دارا هستند.
از محدودیتها این نوع راکتورها مشکل بودن کنترل دما برای واکنشهای گرما زا می باشد .
راکتورهای لوله ای یا به صورت تک لوله ای بوده و یا به صورت مجموعه ای از لاین لوله کوتاهتر که به صورت موازی به یکدیگر متصلند ، مورد استفاده قرار می گیرند . اغلب واکنشهای متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می گیرد .
راکتور بستر ثابت :
راکتورهای بستر ثابت در واقع همان راکتورهای لوله ای پر شده از دانه های جامد کاتالیزور هستند.
واکنشهای غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری در این نوع را کتورها انجام میگیرد و از معایب این نوع راکتورها عدم کنترل حرارت و مشکل جایگزینی کاتالیزور های آن می باشد.
همچنین بعضی اوقات ، پدیده کانالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث می شود که واکنشگرها زمان کمتری را درون راکتور سپری کنند و در نتیجه جهت انجام واکنش زمان لازم را در اختیار نداشته باشند . این امر یکی دیگر از محدودیت های این نوع راکتورها است امتیاز این راکتورها ، درصد تبدیل بالای آن در واحد زمان و واحد وزن کاتالیزور مصرف شده در مقایسه با سایر راکتورهای کاتالیزوری است.
راکتور بستر سیال :
نوع دیگری از راکتورهای کاتالیزوری ، راکتور بستر سیال می باشد در راکتور بستر سیال همانند راکتور مخلوط شونده محتویات داخل راکتور اگر چه غیر متجانس هستند ، ولی به خوبی یکدیگر مخلوط شده و باعث توزیع یکنواخت دما در تمام نقاط راکتور می گردند . بدلیل ظرفیت بالا و بالا و کنترل حرارتی خوب ، این نوع راکتورها کاربردهای صنعتی زیادی پیدا کرده اند . از امتیازهای برجسته این راکتور ها سهولت، احیاء و جایگزین کردن کاتالیزور می باشد که علیرغم قیمت بالای ساخت آن ، به لحاظ صرفه جویی مالی و عدم نیاز به احداث واحد جداگانه احیاء کاتالیزور از نظر اقتصادی قابل توجیه است .