راکتور:

راکتور (واکنش گاه) شیمیایی(chemical reactor) دستگاهی است که در آن واکنشهای شیمیایی(chemical reactions) ازقبیل تبدیل, ترکیب, یا تجزیه به منظور تولید ماده مورد نظر صورت می گیرد.طبق قرارداد, دستگاه در بردارنده واکنش سوختن به منظور تولید انرژی ,راکتور محسوب نمیشود.

عواملی چون دما ,فشار ,غلظت(concentration) ,اختلاط(mix) و . . . در انجام و سرعت یک واکنش دخیل می باشند. از این رو در طراحی راکتورهای شیمیایی از اصول مکانیک سیالات, ترمو دینامیک, انتقال حرارت ,انتقال جرم و سینتیک واکنشهای شیمیایی بهره گیری می شود.
   

 به دلیل انجام بعضی واکنشهای ناخواسته یا وجود مقداری از مواد اولیه با محصول راکتور, امکان عرضه مستقیم محصول به بازار مهیا نیست.برای تحقق این امر انجام بعضی عملیات فیزیکی چون جداسازی , خالص سازی . . . برروی محصول ضروریست.به دلیل اهمیت و حساسیت عملیات شیمیایی صورت یافته در راکتورها, اقدام به تاسیس گرایشی با عنوان طراحی راکتور های شیمیایی در مهندسی شیمی شده است.
در این گرایش مهندس طراح با نظریات بنیادی تحلیل فرآیند, طراحی تجهیزات و ارزیابی اقتصادی و بهینه سازی آنها آشنا می شود, تا با تلفیقی منطقی توانمندی ارایه مدل(الگوی)ریاضی یک راکتور شیمیایی را پیدا نماید.

براساس دیدگاههای متفاوت تقسیم بندی گوناگونی برای راکتورهای شیمیایی انجام شده است.اولین تقسیم بندی مربوط به طراحی راکتورهاست.

راکتور سر ثابت(fixed bed reactor )         
   

 در این راکتور, کاتالیزور در یک بستر ثابت (fixed bed) قرار دارد, و واکنشگرها از درون آن عبور داده می شوند.معمولا بصورت استوانه ای بزرگ و مجهز به پوشش (jacket) مناسب جهت تامین گرمایش یا سرمایش مورد نیاز ساخته می شوند.
 راکتورهای بستر ثابت در واقع همان راکتورهای لوله ای پر شده از دانه های جامد کاتالیزور هستند . 

    واکنش های غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری دراین نوع راکتورها انجام می گیرد  از معایب این نوع راکتورها مشکل کنترل حرارتی و مشکل جایگزینی کاتالیزور بعد از غیر فعال شدن آن می باشد.

     همچنین بعضی اوقات پدیده کانالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث کاهش زمان اقامت لازم برای انجام واکنش می شود که این خود یکی دیگر از محدودیت های این نوع راکتور می باشد. امتیاز این نوع راکتورها،درصد تبدیل بالای آن در واحد وزن کاتالیزور مصرف شده در مقایسه با سایر راکتورهای کاتالیزوری می باشد. از دیگر مزایای این راکتور قیمت پایین تر آن نسبت به راکتور های مشابه مخصوصاً راکتور بستر سیال می باشد.

راکتورهای بستر سیال

  در این راکتور ذرات کاتالیزور بصورتی معلق در یک سیال قرار دارند.واکنشگرها در برخورد با ذرات سیالیده (fluidized) , واکنش مورد نیاز را انجام می دهند.سیالیت ذرات کاتالیزور منجر به خروج آنها با جریان محصول می شود, به همین دلیل توسط جداکننده های سیکلونی از سیال خروجی جدا شده و پس از احیا مجددا مورد اسفاده قرار می گیرند.              در راکتور بستر سیال همانند راکتور مخلوط شونده، محتویات داخل راکتور اگرچه غیرمتجانس می باشند ولی به خوبی با یکدیگر مخلوط شده و باعث توزیع یکنواخت دما در تمام نقاط راکتور می گردند.

به دلیل توزیع مناسب حرارت در داخل این راکتورها مشکل نقاط داغ وجود ندارد. به دلیل ظرفیت بالا و کنترل حرارت خوب ، این نوع راکتورها، کاربرد صنعتی زیادی پیدا کرده اند. از امتیازات برجسته این راکتورها سهولت احیا و جایگزین کردن کاتالیزور می باشد.

مزایا و معایب بسترهای سیال برای عملیات صنعتی مزایا عبارتند از

1- جریان ملایم و مایع مانند ذرات اجازه می دهد که عملیات به صورت اتوماتیک و به طور ساده کنترل شود.

2- سادگی واطمینان سریع مخلوط شدن جامدات باعث ایجاد شرایط یکنواخت وجلوگیری از ایجاد نقاط داغ کنترل می شود.

3- در مقابل تغییرات سریع به آرامی عملکرد نشان می دهد.

4-حرارت تولید شده یا مورد گردش ذرات جامد بین دوبستر سیال امکان برداشت یا اضافه کردن مقدار زیادنیاز راکتورهای بزرگ را فراهم می کند.

5-برای عملیات در مقیاس بزرگ مناسب هستند.

6- در مقایسه با سایر روش های تماس، سرعت انتقال جرم و حرارت بالاست.

7-شدت انتقال حرارت بالا می باشد،در نتیجه سطح انتقال حرارت کمتری نیاز است.

معایبشان عبارتند از

1-برای بسترهای حبابی شامل ذرات ریز،نحوه جریان گاز وانحراف از حالت ایده آل باعث بهره پایین تماس می گردد.

2-زمان اقامت دانه های جامد کاتالیست متفاوت است.این موضوع به علت مخلوط شدن ذرات در بستروخروج تصادفی آن ها می باشد.این موضوع باعث غیر یکنواخت کاتالیست در احیا کننده فراوری می شودکه نتیجه آن کم شدن بهره عملکرد است.

3-ذرات شکننده،خردشده،توسط گاز به بیرون حمل میشوند که بایستی جایگزین شوند.

4-خوردگی لوله هاوظروف به وسیله اصطکاک باذرات می تواند جدی باشد.

مزایای اقتصادی قابل توجه بستر سیال عامل اصلی استفاده موفقیت آمیز این دستگاه در صنعت می باشد.اما چنین موفقیتی بستگی به شناخت وفائق آمدن بر معایبشان دارد.

راکتورهای کاتالیزوری بابستر متحرک:

در این راکتور ذرات کاتالیزور بر اثر نیروی وزن دارای سقوط آرامی در سیال می باشند.این ساز و کار منجربه ایجاد بستری متحرک و پویا در درون راکتور می شود.عبور واکنشگرها از چنین بستری فرصت لازم را برای واکنشهای کندتر مهیا می سازد.

رآکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود.

رآکتورهای چند فازی: 

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود.

- تقسیم بندی دیگر رآکتورها براساس نوع عملیات و واکنش آنها آن ها است. این تقسیم بندی به شکل زیر است

1) رآکتورهای ناپیوسته(Batch Reactors)

 مثل رآکتور تولید پلی کلرید وینیل(PVC) از طریق پلیمر کردن کلرید وینیل

2) رآکتورهای پیوسته یا جریان پایدار(Continuous or Steady Flow Reactors)

   مثل رآکتور تولید آمونیاک از طریق واکنش میان گازهای هیدروژن و نیتروژن

3) رآکتورهای نیمه پیوسته(Semi Batch Reactors)  

مثل رآکتور هیدروژن دار کردن روغن مایع به منظور اشباع آن و تولید روغن جامد

راکتورهای ناپیوسته

    در این رآکتورها مواد اولیه به مقدار معین وارد رآکتور می شود، در زمان مشخص واکنش انجام می گیرد و سپس محصول از راکتور خارج می شود. بدین ترتیب یک دوره  کار که شامل بارگیری، انجام واکنش و تخلیه است پایان می پذیرد و راکتور برای انجام واکنش در دوره بعد پاکسازی و آماده می شود.

    این نوع راکتورها نسبتا ساده هستند و احتیاج به وسایل کمکی و سیستم های کنترل کمتری دارند. در صنعت از این نوع راکتورها برای انجام واکنش های کند، که احتیاج به زمان اقامت زیادی دارند، استفاده می شود. مدت اقامت واکنش دهنده ها در داخل راکتور، که طی آن واکنش گرها فرصت انجام واکنش پیدا می کنند، زمان اقامت گویند. در یک راکتور ناپیوسته ورود و خروج جرم وجود ندارد. به عبارت دیگر ترکیب شوندگان را که ابتدا وارد ظرف کرده اند به شدت مخلوط می کنند تا واکنش به مدت معینی انجام گیرد. از دیدگاه تاریخی راکتورهای ناپیوسته از آغاز صنعت شیمیایی مورد استفاده بوده است و هنوز هم به صورت وسیعی در تولید مواد شیمیایی با ارزش افزودنی بالا نظیر دارو سازی مورد استفاده می باشد.

راکتورهای نا پیوسته در موارد ذیل استفاده میگردد:

1-تولید در مقیاس های کوچک صنغتی
2-برای محصولاتی که تولید صنعتی آنها در شرایط مداوم مشکل است
3-تولید صنعتی محصولات گران قیمت
4-آزمایش کردن فرایند های نا شناخته

 امتیاز راکتورهای ناپیوسته (Batch) در این است که با دادن زمان لازم برای انجام واکنش مواد اولیه با درصد تبدیل بالا به محصولات موردنظر تبدیل می گردند. در حالی که استفاده از این نوع راکتورها محدود به واکنش های متجانس فاز مایع می باشد. از دیگر محدودیت های این نوع راکتورها بالا بودن هزینه تولید در واحد حجم محصول تولید شده می باشد. همچنین تولید صنعتی در مقیاس بالا در این گونه راکتورها مشکل است. لازم به ذکر است که در یک راکتور نا پیوسته کامل (ایده آل) اختلاف درجه حرارت یا غلظت درون حجم سیستم وجود ندارد . هر چند به علت انجام واکنش غلظت اجزاء با زمان تغییر خواهد کرد ولی در هر لحظه در تمام نقاط سیستم غلظت یکسان خواهد بود و در نتیجه سرعت واکنش نیز در تمام نقاط یکسان و برابر سرعت متوسط سیستم می باشد.

رآکتورهای پیوسته

 در این نوع راکتورها، مواد اولیه به طور دایم وارد راکتور می شود و پس ار انجام واکنش محصول، پیوسته از راکتور خارج می شود. این گونه راکتورها هنگامی در صنعت استفاده می شوند که هدف تولید مقدار زیادی محصول باشد در ضمن راکتورهای پیوسته برای انجام واکنش های سریع مناسب تر می باشند.این نوع رآکتورها نیاز به سیستم های دقیق و متنوعی دارند. از این راکتورها در بسیاری از صنایع شیمیایی، به خصوص صنایع نفت،گاز و پتروشیمی استفاده می شود.

رآکتورهای نیمه پیوسته 

 این نوع راکتورها دارای انواع متنوعی هستند. در نوع متداول آن یکی از مواد اولیه ابتدا در داخل راکتور بارگیری و سپس به تدریج ماده یا مواد اولیه دیگر به آن اضافه می شود. در نوع دیگر مواد اولیه به طور هم زمان وارد راکتور می شود ولی تا پایان واکنش هیچ ماده ای از راکتور خارج نمی شود. نوع دیگری از آن وجود دارد که یکی از مواد اولیه در داخل راکتور بارگیری شده است و ماده دیگر به تدریج به آن اضافه می گردد و همزمان با آن محصول نیز از راکتور خارج می شود. در یک راکتور ناپیوسته ورود و خروج جرم وجود ندارد. به عبارت دیگر ترکیب شوندگان را که ابتدا وارد ظرف کرده اند به شدت مخلوط می کنند تا واکنش به مدت معینی انجام گیرد. از دیدگاه تاریخی راکتورهای ناپیوسته از آغاز صنعت شیمیایی مورد استفاده بوده است و هنوز هم به صورت وسیعی در تولید مواد شیمیایی با ارزش افزودنی بالا نظیر دارو سازی مورد استفاده می باشد.

. بر اساس یک تقسیم بندی راکتورها به دو دسته به صورت زیر تقسیم می گردند

1- مداوم مخزنی (Continuous) شکل مجهز به همزن و لوله ای شکل
2-غیر مداوم ((non-continuous
بر اساس نوع دیگر تقسیم بندی راکتورها را به دو دسته زیر تقسیم می کنند:
1-واحدی (Stagewise)
2-دیفرانسیلی(Differential)

راکتور مخلوط شونده(CSTR)

 
راکتور مخلوط شونده در شرایطی که یک واکنش شیمیایی احتیاج به همزدن شدید داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد.
راکتورهای مخلوط شونده یا به تنهایی و یا به صورت پشت سرهم متصل می گردند.
کنترل حرارتی در این نوع راکتورها به آسانی انجام می گیرد. یکی از محدودیتهای این نوع راکتورها درصد تبدیل پایین در مقایسه با سایر راکتورها می باشد. به همین دلیل حجم راکتور مذکور باید بزرگ انتخاب شود، تا به درصد تبدیل بالا دست یافت.

 راکتورهای Mixed یا CSTR

برای اغلب واکنش های متجانس در فاز مایع استفاذه می شود.
در راکتورهای اختلاط کامل به علت وجود داشتن همزن خوراک ورودی به سرعت در سرتاسر ظرف پراکنده شده و غلظت در هر نقطه درون ظرف تقریبا یکسان است . لذا سرعت واکنش در تمام نقاط درون سیستم تقریبا یکسان می گردد. بطور کلی در راکتورهای اختلاط کامل (ایده آل) تغییرات مکانی غلظت (یا خواص فیزیکی) درون راکتور و یا در خروجی آن وجود ندارد و خواص درون سیستم یکنواخت می باشد.

راکتورهای لوله ای(Plug)

در صنایع شیمیایی برای فرایند های با مقیاس بزرگ معمولآ از راکتورهای لوله ای استفاده می شود. زیرا نگهداری سیستم راکتورهای لوله ای آسان می باشد (چون دارای قسمتهای متحرک نیستند) ومعمولا بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم جاری دارا هستند. از محدودیت این نوع راکتورها مشکل حرارتی برای واکنشهای گرمازاست که بسیار سریع عمل میکنند و نهایتآ منجر به تشکیل نقاط داغ (Hot Spot) می گردند. اغلب واکنشهای متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می گیرند.
در جریان Plug سرعت کلیه ذرات یکسان است. هیچ ذرهای از ذره دیگر سبقت نمی گیرد وعقب هم نمی ماند. هیچگونه تداخلی هم در جریانها نداریم ولی در بیشتر موارد الگوی جریان متفاوت است. دلیل این است که همواره در جهت حرکت سیال یک جریان برگشتی (معکوس) داریم. حرکت معکوس سیال را Back Mixing (پس آمیزی یا اختلاط متقابل) می گویند. درون
راکتورهای Plug غلظت از نقطه ای به نقطه ذیگر تغییر می کند. چنین سیستمهایی توزیع شده (Distributed) نامیده می شوند و تجزیه تحلیل معادله عملکرد آنها در شرایط پایدار مستلزم حل معادلات است.

 
راکتورهای دوره ای (Recycle Reactor)

در این نوع راکتور مخلوط واکنش خروجی از راکتور بدون عبور از مراحل جدا سازی و بازیافت به ورودی راکتور برگشت داده می شود. این نوع برگشت در راکتور Mixed وجود دارد واز این نظر امری عادی می باشد. یعنی استفاده از جریان برگشتی برای یک راکتور Mixed اثری روی بازدهی ندارد. باید توجه داشت که استفاده از جریان برگشتی برای یک راکتور با جریان Plug معمولآ بازدهی را کاهش می دهد و آن را به سمت بازدهی یک راکتور Mixed سوق می دهد.
لذا معمولآ در شرایط زیر از راکتورهای دوره ای استفاده می کنیم:
1-برای واکنشهای اتوکاتالیزوری و واکنشهایی که احتیاج به همزن خاصی دارند. مثلآ اگر واکنشی احتیاج به درصد معینی از همزن (کمتر از الگوی اختلاط راکتور مخلوط شونده و بیشتر از الگوی اختلاط در راکتور لوله ای) داشته باشد از راکتور دوره ای استفاده می کنیم.
2-برای واکنشهایی که باید در شرایط هم دما انجام بگیرند.
3-برای واکنشهایی که متشکل از چند واکنش سری یا موازی رقابتی هستند، برای رسیدن به تولید بهینه (ماکزیمم) از محصول مورد نظر (Selectivity)، از راکتورهای دوره ای استفاده می کنیم.

راکتورهای پلیمریزاسیون(Polymerization reactor

واكنشهای پلیمریزاسیون با توجه به تنوع تولیدشان از استفاده كننده های عمده راكتورها به شمار می روند. البته ساختار كلی راكتورها تفاوت چندانی با راكتورهای سایر مواد ندارد: اما با توجه به اهمیت این واكنشها، مطالبی در این مورد بیان می شود.

منبع: http://www.chemicalengineergroup.mihanblog.com