In chimica , un reattore è un involucro o recipiente adatto per eseguire e ottimizzare reazioni chimiche e in generale processi per trasformare la materia ( ingegneria di processo ). L'obiettivo desiderato in un reattore è l'omogeneità del mezzo di reazione dal punto di vista della temperatura e della miscela di reagenti .
Per esempio :
A seconda dei limiti imposti dalla sicurezza , dalla termodinamica o dalla cinetica , l'ingegnere chimico è responsabile del dimensionamento del reattore al fine di ottimizzare le prestazioni del processo. Poiché non è possibile ottenere un tasso di conversione del 100%, un corretto dimensionamento può ridurre i costi di separazione e ridurre la quantità di rifiuti.
Esistono reattori di tutte le dimensioni e forme. Nei processi continui, il reattore è generalmente costruito su misura, a seconda delle specifiche della reazione. Nei processi batch, vengono utilizzati reattori multiuso standardizzati.
I reattori sono costruiti in acciaio inossidabile (il più comune), in smalto (per reazioni con acidi o altri prodotti corrosivi ), o ancora in titanio o hastelloy per reazioni particolarmente corrosive.
La struttura generale dei reattori è una nave con un sistema di controllo della temperatura. Esistono diverse configurazioni per il controllo della temperatura:
Volume nominale ( l ) | Volume massimo di lavoro (l) | Volume totale (l) | Peso a vuoto (kg) | Superficie di scambio (doppia busta) (m 2 ) | Superficie di scambio (semigusci) (m 2 ) |
---|---|---|---|---|---|
63 | 87.5 | 100 | 350 | 0.63 | - |
100 | 126 | 138 | 400 | 0.86 | - |
160 | 198 | 218 | 450 | 1.2 | - |
250 | 330 | 363 | 750 | 1.48 | 1.1 |
400 | 465 | 512 | 900 | 2.04 | 1.63 |
630 | 800 | 900 | 1.100 | 2.73 | 2.05 |
1000 | 1380 | 1.550 | 1.400 | 3.86 | 2.93 |
2.500 | 3.265 | 3.665 | 2.300 | 7.64 | 6.0 |
10.000 | 10 815 | 12 160 | 6000 | 22.0 | 13.5 |
16.000 | 18 980 | 21 120 | 8.000 | 32.0 | 20.0 |
Nel campo dell'ingegneria chimica esistono tre classi principali di reattori:
Questi reattori sono anche chiamati reattori ideali, perché servono come modello di base per la progettazione di processi chimici. Sono definiti da un certo numero di presupposti che facilitano la modellazione del processo.
Le ipotesi relative al modello di reattore continuo sono le seguenti:
Soddisfa il seguente stato patrimoniale: INPUT + SOURCE + WELL = OUTPUT.
Tale equilibrio si dice stazionario (proprietà del reattore continuo dopo la sua fase di avviamento, cioè nella sua fase di produzione), vale a dire che la temperatura così come le concentrazioni dei componenti del mezzo fanno non cambiare, non nel tempo. Matematicamente, questo si traduce in:
bilancio materiale: ;bilancio energetico: .Vantaggi :
Svantaggi :
Le ipotesi relative al modello di reattore discontinuo sono le seguenti:
Soddisfa il seguente stato patrimoniale: FONTE + POZZO = ACCUMULO.
Si dice che tale equilibrio sia transitorio , vale a dire che le concentrazioni dei componenti del mezzo cambiano nel tempo. La temperatura può o meno rimanere costante (reattore isotermico ). Matematicamente questo dà:
bilancio materiale: ;bilancio energetico (tre possibilità):Vantaggi :
Svantaggi :
Le ipotesi relative al modello di reattore plug-in sono le seguenti:
Soddisfa il seguente stato patrimoniale: INPUT + SOURCE + WELL = OUTPUT.
Il reattore è considerato in uno stato stazionario, ma ha un profilo di temperatura e concentrazione in funzione del suo asse. Non consideriamo il reattore nella sua interezza, ma lo dividiamo in fette sottili, il che consente di scrivere:
bilancio materiale: per una fetta di spessore dL e volume dV;bilancio energetico: .Vantaggi :
Svantaggi :
Il reattore a letto fisso è un tipo di reattore a flusso a spina. Viene utilizzato principalmente per reazioni catalitiche eterogenee in fase gassosa: la reazione avviene sulla superficie di un catalizzatore solido, i reagenti ed i prodotti essendo gas. Il catalizzatore si deposita sulla superficie di supporti inerti (griglie metalliche o elementi di silice) che formano una struttura fissa (letto fisso) posta nel reattore. I reagenti circolano nel reattore attorno agli elementi del letto (o anche negli elementi del letto se quest'ultimo è costituito da elementi porosi) e reagiscono sulla superficie di quest'ultimo con il catalizzatore.
Il reattore semicontinuo è molto simile al reattore batch. Il cambiamento principale è che il volume cambia durante la reazione. Le principali ipotesi del modello sono quindi:
Soddisfa il seguente stato patrimoniale: ACCUMULO = INGRESSO + FONTE + BENE.
Bilancio materie: .Bilancio energetico (tre possibilità):Vantaggi :
Svantaggi :
Si tratta generalmente di un reattore a flusso a tampone, parte del cui flusso in uscita viene reiniettato nel reattore miscelandosi con il flusso in ingresso. Questo tipo di reattore è comunemente utilizzato quando la conversione è bassa nel reattore, al fine di aumentare le rese.
Questo tipo di reattore è caratterizzato da una successione di reattori (più reattori continui o un duo reattore-reattore a flusso continuo. Il flusso in uscita dal primo reattore funge da flusso in ingresso al secondo reattore e così via. Questa configurazione permette di ottenere conversioni molto elevate I reattori possono essere associati in serie o in parallelo.
In realtà le ipotesi non vengono rispettate, tanto più se il reattore è grande. Pertanto, in un reattore di diverse migliaia di litri, la temperatura non è uniforme, il che genera profili di concentrazione, perché la velocità di reazione , che dipende dalla temperatura, non è uniforme nella massa di reazione.
Per misurare l'idealità di un reattore, esiste una tecnica, la distribuzione del tempo di residenza (DTS). Questa tecnica consente, tramite la misura della concentrazione di un tracciante in diversi punti del reattore, di confrontare un reattore con i modelli sopra e, se necessario, di correggere il modello per tenere conto delle deviazioni.
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