מהם כורים כימיים? סוגי כורים כימיים

2024 מְחַבֵּר: Howard Calhoun | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-02 13:54

תגובה כימית היא תהליך שמוביל לטרנספורמציה של מגיבים. הוא מאופיין בשינויים שמביאים למוצר אחד או יותר ששונים מהמקור. תגובות כימיות הן בעלות אופי שונה. זה תלוי בסוג הריאגנטים, בחומר המתקבל, בתנאים ובזמן של סינתזה, פירוק, עקירה, איזומריזציה, חומצה-בסיס, חיזור, תהליכים אורגניים וכו'.

כורים כימיים הם מיכלים שנועדו לבצע תגובות על מנת לייצר את המוצר הסופי. העיצוב שלהם תלוי בגורמים שונים ואמור לספק תפוקה מקסימלית בצורה החסכונית ביותר.

צפיות

ישנם שלושה דגמים בסיסיים עיקריים של כורים כימיים:

• תקופתי.
• Continuous Stirred (CPM).
• Plunger Flow Reactor (PFR).

ניתן לשנות את הדגמים הבסיסיים האלה כדי לעמוד בדרישות התהליך הכימי.

כור אצווה

יחידות כימיות מסוג זה משמשות בתהליכי אצווה עם נפחי ייצור נמוכים, זמני תגובה ארוכים או היכן שמושגת סלקטיביות טובה יותר, כמו בכמה תהליכי פילמור.

לשם כך, למשל, משתמשים במיכלי נירוסטה, שתכולתם מעורבבת עם להבי עבודה פנימיים, בועות גז או באמצעות משאבות. בקרת הטמפרטורה מתבצעת באמצעות מעילי חילופי חום, מקררי השקיה או שאיבה דרך מחליף חום.

כרי אצווה משמשים כיום בתעשיות הכימיות ועיבוד המזון. האוטומציה והאופטימיזציה שלהם יוצרת קשיים, שכן יש צורך לשלב תהליכים מתמשכים ודיסקרטיים.

כורים כימיים חצי אצווה משלבים פעולה רציפה ואצווה. ביו-ריאקטור, למשל, נטען מעת לעת ופולט כל הזמן פחמן דו חמצני, אותו יש להסיר ללא הרף. באופן דומה, בתגובת הכלור, כאשר גז כלור הוא אחד מהמגיבים, אם הוא לא יוכנס ברציפות, רובו יתנדף.

כדי להבטיח נפחי ייצור גדולים, נעשה שימוש בעיקר בכורים כימיים רציפים או במיכלי מתכת עם תסיסה או זרימה רציפה.

כור ערבוב רציף

ריאגנטים נוזליים מוזנים לתוך מיכלי נירוסטה. כדי להבטיח אינטראקציה נכונה, הם מעורבבים על ידי הלהבים הפועלים. כך, בבכורים מסוג זה, המגיבים מוזנים באופן רציף לתוך המיכל הראשון (אנכי, פלדה), ואז הם נכנסים לאלו הבאים, תוך ערבוב יסודי בכל מיכל. למרות שהרכב התערובת הומוגנית בכל מיכל בודד, במערכת כולה הריכוז משתנה ממיכל למיכל.

ניתן לחשב את משך הזמן הממוצע שכמות בדיד של מגיב מבלה במיכל (זמן שהייה) על ידי חלוקת נפח המיכל בקצב הזרימה הנפחית הממוצעת דרכו. אחוז ההשלמה הצפוי של התגובה מחושב באמצעות קינטיקה כימית.

המכלים עשויים מפלדת אל חלד או מסגסוגות, כמו גם עם ציפוי אמייל.

כמה היבטים חשובים של NPM

כל החישובים מבוססים על ערבוב מושלם. התגובה ממשיכה בקצב הקשור לריכוז הסופי. בשיווי משקל, קצב הזרימה חייב להיות שווה לקצב הזרימה, אחרת המיכל יעלה על גדותיו או יתרוקן.

לעתים קרובות משתלם לעבוד עם HPM מרובים טוריים או מקבילים. מיכלי נירוסטה המורכבים במפל של חמש או שש יחידות יכולים להתנהג כמו כור זרימת תקע. זה מאפשר ליחידה הראשונה לפעול בריכוז מגיב גבוה יותר ולכן קצב תגובה מהיר יותר. כמו כן, ניתן למקם מספר שלבים של HPM במיכל פלדה אנכי, במקום תהליכים המתרחשים במיכלים שונים.

בגרסה האופקית, היחידה הרב-שלבית מחולקת על ידי מחיצות אנכיות בגבהים שונים שדרכם זורמת התערובת במפלים.

כאשר המגיבים מתערבבים בצורה גרועה או שונים באופן משמעותי בצפיפות, נעשה שימוש בכור רב-שלבי אנכי (מרופד או נירוסטה) במצב נגד זרם. זה יעיל לביצוע תגובות הפיכות.

שכבת הפסאודו-נוזל הקטנה מעורבבת במלואה. לכור מסחרי גדול עם מיטה נוזלית יש טמפרטורה אחידה במידה רבה, אך תערובת של זרמים מתערבים ועקורים ומצבי מעבר ביניהם.

כור כימי עם זרימת תקע

RPP הוא כור (נירוסטה) שבו נשאבים מגיבים נוזליים אחד או יותר דרך צינור או צינורות. הם נקראים גם זרימה צינורית. זה עשוי להיות כמה צינורות או צינורות. ריאגנטים נכנסים כל הזמן דרך קצה אחד ומוצרים יוצאים מהקצה השני. תהליכים כימיים מתרחשים בזמן שהתערובת עוברת.

ב-RPP, קצב התגובה הוא שיפוע: בכניסה הוא גבוה מאוד, אך עם ירידה בריכוז הריאגנטים ועלייה בתכולת תוצרי הפלט, הקצב שלו מואט. בדרך כלל מגיעים למצב של שיווי משקל דינמי.

שני כיווני הכור האופקיים והאנכיים נפוצים.

כאשר נדרשת העברת חום, צינורות בודדים מכוסים או משתמשים במחליף חום של מעטפת וצינור. במקרה האחרון, הכימיקלים עשויים להיותגם במעטפת וגם בשפופרת.

מיכלי מתכת בקוטר גדול עם חרירים או אמבטיות דומים ל-RPP ונמצאים בשימוש נרחב. תצורות מסוימות משתמשות בזרימה צירית ורדיאלית, קונכיות מרובות עם מחליפי חום מובנים, מיקום כור אופקי או אנכי, וכן הלאה.

ניתן למלא את כלי המגיב במוצקים קטליטיים או אינרטיים כדי לשפר את מגע הממשק בתגובות הטרוגניות.

חשוב ב-RPP שהחישובים לא יקבלו בחשבון ערבוב אנכי או אופקי - לזה הכוונה במונח "זרימת תקע". ניתן להכניס ריאגנטים לכור לא רק דרך הכניסה. לפיכך, ניתן להשיג יעילות גבוהה יותר של ה-RPP או להפחית את גודלו ועלותו. הביצועים של RPP הם בדרך כלל גבוהים יותר מאלו של HPP באותו נפח. עם ערכים שווים של נפח וזמן בכורי בוכנה, לתגובה תהיה אחוז השלמה גבוה יותר מאשר ביחידות ערבוב.

יתרה דינמית

ברוב התהליכים הכימיים, אי אפשר להגיע ל-100 אחוז השלמה. המהירות שלהם יורדת עם הצמיחה של אינדיקטור זה עד לרגע שבו המערכת מגיעה לשיווי משקל דינמי (כאשר התגובה הכוללת או השינוי בהרכב אינו מתרחש). נקודת שיווי המשקל ברוב המערכות היא מתחת ל-100% השלמת תהליך. מסיבה זו, יש צורך לבצע תהליך הפרדה, כגון זיקוק, כדי להפריד את שאר המגיבים או תוצרי הלוואי מיַעַד. ניתן לפעמים לעשות שימוש חוזר בריאגנטים אלה בתחילת תהליך כגון תהליך Haber.

יישום של PFA

כורי זרימת בוכנה משמשים לביצוע הטרנספורמציה כימית של תרכובות כשהן נעות דרך מערכת דמוית צינור לתגובות מהירות, הומוגניות או הטרוגניות בקנה מידה גדול, ייצור מתמשך ותהליכי יצירת חום גבוהים.

ל RPP אידיאלי יש זמן שהייה קבוע, כלומר כל נוזל (בוכנה) שנכנס בזמן t ייצא ממנו בזמן t + τ, כאשר τ הוא זמן השהייה בהתקנה.

לכורים כימיים מסוג זה יש ביצועים גבוהים לאורך תקופות זמן ארוכות, כמו גם העברת חום מצוינת. החסרונות של RPPs הם הקושי בשליטה על טמפרטורת התהליך, שעלול להוביל לתנודות טמפרטורה לא רצויות, ועלותם הגבוהה יותר.

כורים קטליטיים

למרות שסוגים אלה של יחידות מיושמים לעתים קרובות כ-RPP, הם דורשים תחזוקה מורכבת יותר. קצב התגובה הקטליטית הוא פרופורציונלי לכמות הזרז במגע עם הכימיקלים. במקרה של זרז מוצק ומגיבים נוזליים, קצב התהליכים הוא פרופורציונלי לשטח הזמין, לכניסת הכימיקלים ולנסיגה של מוצרים ותלוי בנוכחות של ערבוב סוער.

תגובה קטלטית היא למעשה לרוב רב-שלבית. לא רקהמגיבים הראשוניים מקיימים אינטראקציה עם הזרז. חלק ממוצרי הביניים גם מגיבים איתו.

ההתנהגות של זרזים חשובה גם בקינטיקה של תהליך זה, במיוחד בתגובות פטרוכימיות בטמפרטורה גבוהה, מכיוון שהם מושבתים על ידי סינטר, בישול ותהליכים דומים.

יישום טכנולוגיות חדשות

RPP משמשים להמרת ביומסה. בניסויים נעשה שימוש בכורים בלחץ גבוה. הלחץ בהם יכול להגיע ל-35 MPa. השימוש במספר גדלים מאפשר לגוון את זמן השהייה בין 0.5 ל-600 שניות. כדי להשיג טמפרטורות מעל 300 מעלות צלזיוס, משתמשים בכורים מחוממים חשמלית. ביומסה מסופקת על ידי משאבות HPLC.

RPP ננו-חלקיקי אירוסול

יש עניין רב בסינתזה ויישום של חלקיקים בגודל ננו למטרות שונות, כולל סגסוגות סגסוגות גבוהות ומוליכי סרט עבה לתעשיית האלקטרוניקה. יישומים אחרים כוללים מדידות רגישות מגנטית, שידור אינפרא אדום רחוק ותהודה מגנטית גרעינית. עבור מערכות אלו יש צורך לייצר חלקיקים בגודל מבוקר. הקוטר שלהם הוא בדרך כלל בטווח של 10 עד 500 ננומטר.

בשל גודלם, צורתם ושטח הפנים הספציפי הגבוה שלהם, ניתן להשתמש בחלקיקים אלה לייצור פיגמנטים קוסמטיים, ממברנות, זרזים, קרמיקה, כורים קטליטיים ופוטו-קטליטיים. דוגמאות ליישום עבור ננו-חלקיקים כוללות SnO₂ עבור חיישניםפחמן חד חמצני, TiO₂ למובילי אור, SiO_{2 לסיליקון דו חמצני קולואידי וסיבים אופטיים, C לחומרי מילוי פחמן בצמיגים, Fe להקלטת חומרים, Ni עבור סוללות ובמידה פחותה, פלדיום, מגנזיום וביסמוט. כל החומרים הללו מסונתזים בכורי אירוסול. ברפואה, ננו-חלקיקים משמשים למניעה וטיפול בזיהומי פצעים, בהשתלות עצם מלאכותיות ובהדמיית מוח.}

דוגמה להפקה

כדי להשיג חלקיקי אלומיניום, זרימת ארגון רוויה באדי מתכת מקוררת ב-RPP בקוטר של 18 מ מ ובאורך של 0.5 מ' מטמפרטורה של 1600°C בקצב של 1000°C/s. כאשר הגז עובר דרך הכור, מתרחשת גרעין וצמיחה של חלקיקי אלומיניום. קצב הזרימה הוא 2 dm3/דקה והלחץ הוא 1 atm (1013 Pa). תוך כדי תנועה, הגז מתקרר והופך לסופר רווי, מה שמוביל לגרעין של חלקיקים כתוצאה מהתנגשויות והתאיידות של מולקולות, החוזרות על עצמן עד שהחלקיק מגיע לגודל קריטי. כשהן נעות דרך הגז העל-רווי, מולקולות האלומיניום מתעבות על החלקיקים, ומגדילות את גודלן.