Apa itu reaktor kimia? Jenis reaktor kimia

2024 Pengarang: Howard Calhoun | [email protected]. Terakhir diubah: 2024-01-02 13:57

Reaksi kimia adalah proses yang mengarah pada transformasi reaktan. Hal ini ditandai dengan perubahan yang menghasilkan satu atau lebih produk yang berbeda dari aslinya. Reaksi kimia memiliki sifat yang berbeda. Itu tergantung pada jenis reagen, zat yang diperoleh, kondisi dan waktu sintesis, dekomposisi, perpindahan, isomerisasi, asam-basa, redoks, proses organik, dll.

Reaktor kimia adalah wadah yang dirancang untuk melakukan reaksi guna menghasilkan produk akhir. Desainnya bergantung pada berbagai faktor dan harus memberikan hasil maksimal dengan cara yang paling hemat biaya.

Tampilan

Ada tiga model dasar utama reaktor kimia:

• Berkala.
• Pengaduk Terus Menerus (CPM).
• Reaktor Aliran Plunger (PFR).

Model dasar ini dapat dimodifikasi untuk memenuhi persyaratan proses kimia.

Reaktor batch

Unit kimia jenis ini digunakan dalam proses batch dengan volume produksi rendah, waktu reaksi yang lama atau di mana selektivitas yang lebih baik dicapai, seperti dalam beberapa proses polimerisasi.

Untuk ini, misalnya, wadah baja tahan karat digunakan, yang isinya dicampur dengan bilah kerja internal, gelembung gas atau menggunakan pompa. Kontrol suhu dilakukan dengan menggunakan jaket penukar panas, pendingin irigasi atau pemompaan melalui penukar panas.

Reaktor batch saat ini digunakan dalam industri kimia dan pengolahan makanan. Otomatisasi dan pengoptimalan mereka menimbulkan kesulitan, karena diperlukan untuk menggabungkan proses yang berkesinambungan dan terpisah.

Reaktor kimia semi-batch menggabungkan operasi kontinyu dan batch. Sebuah bioreaktor, misalnya, dimuat secara berkala dan terus-menerus memancarkan karbon dioksida, yang harus terus-menerus dihilangkan. Demikian pula dalam reaksi klorinasi, ketika gas klorin adalah salah satu reaktan, jika tidak dimasukkan terus menerus, sebagian besar akan menguap.

Untuk memastikan volume produksi yang besar, reaktor kimia kontinu atau tangki logam dengan pengaduk atau aliran kontinu terutama digunakan.

Reaktor diaduk terus menerus

Reagen cair dimasukkan ke dalam tangki baja tahan karat. Untuk memastikan interaksi yang tepat, mereka dicampur dengan bilah kerja. Jadi, dalamDalam reaktor jenis ini, reaktan terus menerus diumpankan ke tangki pertama (vertikal, baja), kemudian masuk ke tangki berikutnya, sambil dicampur secara menyeluruh di setiap tangki. Meskipun komposisi campuran homogen di setiap tangki individu, dalam sistem secara keseluruhan konsentrasi bervariasi dari tangki ke tangki.

Jumlah waktu rata-rata yang dihabiskan sejumlah reagen terpisah dalam tangki (waktu tinggal) dapat dihitung dengan hanya membagi volume tangki dengan laju aliran volumetrik rata-rata yang melaluinya. Persentase penyelesaian reaksi yang diharapkan dihitung menggunakan kinetika kimia.

Tank terbuat dari baja tahan karat atau paduan, serta dilapisi enamel.

Beberapa aspek penting dari NPM

Semua perhitungan didasarkan pada pencampuran sempurna. Reaksi berlangsung pada laju yang berhubungan dengan konsentrasi akhir. Pada kesetimbangan, laju aliran harus sama dengan laju aliran, jika tidak tangki akan meluap atau kosong.

Sering kali lebih hemat biaya untuk bekerja dengan beberapa HPM serial atau paralel. Tangki baja tahan karat yang dirakit dalam lima atau enam unit dapat berperilaku seperti reaktor aliran sumbat. Hal ini memungkinkan unit pertama untuk beroperasi pada konsentrasi reaktan yang lebih tinggi dan oleh karena itu laju reaksi yang lebih cepat. Juga, beberapa tahap HPM dapat ditempatkan di tangki baja vertikal, bukan proses yang terjadi di wadah yang berbeda.

Dalam versi horizontal, unit multi-tahap dibagi oleh partisi vertikal dari berbagai ketinggian yang melaluinya campuran mengalir dalam kaskade.

Ketika reaktan tercampur dengan buruk atau berbeda densitasnya secara signifikan, reaktor multi-tahap vertikal (berlapis atau baja tahan karat) digunakan dalam mode arus berlawanan. Ini efektif untuk melakukan reaksi reversibel.

Lapisan pseudo-cair kecil tercampur sepenuhnya. Reaktor unggun terfluidisasi komersial besar memiliki suhu yang sangat seragam, tetapi campuran aliran yang dapat bercampur dan dipindahkan serta keadaan transisi di antara keduanya.

Reaktor kimia aliran steker

RPP adalah reaktor (tahan karat) di mana satu atau lebih reaktan cair dipompa melalui pipa atau pipa. Mereka juga disebut aliran tubular. Ini mungkin memiliki beberapa pipa atau tabung. Reagen terus-menerus masuk melalui satu ujung dan produk keluar dari ujung lainnya. Proses kimia terjadi saat campuran melewatinya.

Dalam RPP, laju reaksi adalah gradien: pada input sangat tinggi, tetapi dengan penurunan konsentrasi reagen dan peningkatan konten produk keluaran, lajunya melambat. Biasanya keadaan keseimbangan dinamis tercapai.

Orientasi reaktor horizontal dan vertikal sama.

Saat perpindahan panas diperlukan, tabung individu dilapisi atau penukar panas shell and tube digunakan. Dalam kasus terakhir, bahan kimia mungkin:baik di shell dan tube.

Wadah logam berdiameter besar dengan nozel atau bak mandi mirip dengan RPP dan banyak digunakan. Beberapa konfigurasi menggunakan aliran aksial dan radial, beberapa shell dengan penukar panas built-in, posisi reaktor horizontal atau vertikal, dan sebagainya.

Bejana reagen dapat diisi dengan katalitik atau padatan inert untuk meningkatkan kontak antar muka dalam reaksi heterogen.

Penting dalam RPP bahwa perhitungan tidak memperhitungkan pencampuran vertikal atau horizontal - inilah yang dimaksud dengan istilah "aliran sumbat". Reagen dapat dimasukkan ke dalam reaktor tidak hanya melalui saluran masuk. Dengan demikian, adalah mungkin untuk mencapai efisiensi RPP yang lebih tinggi atau mengurangi ukuran dan biayanya. Kinerja RPP biasanya lebih tinggi daripada HPP dengan volume yang sama. Dengan nilai volume dan waktu yang sama dalam reaktor piston, reaksi akan memiliki persentase penyelesaian yang lebih tinggi daripada di unit pencampuran.

Saldo Dinamis

Untuk sebagian besar proses kimia, tidak mungkin mencapai penyelesaian 100 persen. Kecepatannya menurun dengan pertumbuhan indikator ini sampai saat sistem mencapai kesetimbangan dinamis (ketika reaksi total atau perubahan komposisi tidak terjadi). Titik ekuilibrium untuk sebagian besar sistem di bawah 100% penyelesaian proses. Untuk itu perlu dilakukan proses pemisahan, seperti distilasi, untuk memisahkan sisa reaktan atau produk samping daritarget. Reagen ini terkadang dapat digunakan kembali pada awal proses seperti proses Haber.

Penerapan PFA

Reaktor aliran piston digunakan untuk melakukan transformasi kimia senyawa saat bergerak melalui sistem seperti tabung untuk reaksi skala besar, cepat, homogen atau heterogen, produksi berkelanjutan, dan proses pembangkit panas tinggi.

RPP yang ideal memiliki waktu tinggal tetap, yaitu setiap cairan (piston) yang masuk pada waktu t akan keluar pada waktu t +, di mana adalah waktu tinggal dalam instalasi.

Reaktor kimia jenis ini memiliki kinerja tinggi dalam jangka waktu yang lama, serta perpindahan panas yang sangat baik. Kelemahan RPP adalah sulitnya mengontrol suhu proses, yang dapat menyebabkan fluktuasi suhu yang tidak diinginkan, dan biaya yang lebih tinggi.

Reaktor katalitik

Meskipun jenis unit ini sering diimplementasikan sebagai RPP, mereka membutuhkan perawatan yang lebih kompleks. Laju reaksi katalitik sebanding dengan jumlah katalis yang kontak dengan bahan kimia. Dalam kasus katalis padat dan reaktan cair, laju proses sebanding dengan area yang tersedia, masukan bahan kimia dan penarikan produk dan tergantung pada adanya pencampuran turbulen.

Reaksi katalitik sebenarnya sering multi-langkah. Tidak hanyareaktan awal berinteraksi dengan katalis. Beberapa produk antara juga bereaksi dengannya.

Perilaku katalis juga penting dalam kinetika proses ini, terutama dalam reaksi petrokimia suhu tinggi, karena katalis dinonaktifkan dengan proses sintering, kokas, dan proses serupa.

Menerapkan teknologi baru

RPP digunakan untuk konversi biomassa. Reaktor tekanan tinggi digunakan dalam percobaan. Tekanan di dalamnya bisa mencapai 35 MPa. Penggunaan beberapa ukuran memungkinkan waktu tinggal bervariasi dari 0,5 hingga 600 detik. Untuk mencapai suhu di atas 300 °C, digunakan reaktor berpemanas listrik. Biomassa dipasok oleh pompa HPLC.

RPP aerosol nanopartikel

Ada minat yang besar dalam sintesis dan penerapan partikel berukuran nano untuk berbagai keperluan, termasuk paduan paduan tinggi dan konduktor film tebal untuk industri elektronik. Aplikasi lain termasuk pengukuran kerentanan magnetik, transmisi inframerah jauh, dan resonansi magnetik nuklir. Untuk sistem ini perlu untuk menghasilkan partikel dengan ukuran yang terkontrol. Diameternya biasanya berkisar antara 10 hingga 500 nm.

Karena ukuran, bentuk, dan luas permukaan spesifiknya yang tinggi, partikel ini dapat digunakan untuk memproduksi pigmen kosmetik, membran, katalis, keramik, reaktor katalitik dan fotokatalitik. Contoh aplikasi untuk nanopartikel termasuk SnO₂ untuk sensorkarbon monoksida, TiO₂ untuk pemandu cahaya, SiO_{2 untuk koloid silikon dioksida dan serat optik, C untuk pengisi karbon pada ban, Fe untuk bahan perekam, Ni untuk baterai dan, pada tingkat lebih rendah, paladium, magnesium dan bismut. Semua bahan ini disintesis dalam reaktor aerosol. Dalam kedokteran, nanopartikel digunakan untuk mencegah dan mengobati infeksi luka, dalam implan tulang buatan, dan untuk pencitraan otak.}

Contoh produksi

Untuk mendapatkan partikel aluminium, aliran argon jenuh dengan uap logam didinginkan dalam RPP dengan diameter 18 mm dan panjang 0,5 m dari suhu 1600 °C dengan laju 1000 °C/s. Saat gas melewati reaktor, nukleasi dan pertumbuhan partikel aluminium terjadi. Laju alirannya adalah 2 dm3/menit dan tekanannya adalah 1 atm (1013 Pa). Saat bergerak, gas mendingin dan menjadi jenuh, yang mengarah ke nukleasi partikel akibat tumbukan dan penguapan molekul, berulang hingga partikel mencapai ukuran kritis. Saat mereka bergerak melalui gas jenuh, molekul aluminium mengembun pada partikel, meningkatkan ukurannya.