عملکرد راکتورها – بخش نخست (غلظت و دمای راکتور)

9 خواندن ثانیه
0
97
عملکرد راکتورها - بخش نخست (غلظت و دمای راکتور)

عملکرد راکتور

براي راکتورها، سه پارامتر مهم جهت توصیف عملکرد راکتور مورد استفاده قرار میگیرد :

درصد تبدیل Conversion: نسبت مقدار مواد واکنش‌دهنده مصرفی در راکتور به مقـدار مـواد واکنش‌دهنده‌اي به راکتور تغذیه میباشد. اگر واکنش برگشت‌پذیر باشد، حداکثر درصد تبدیلی که به آن میتوان رسید درصد تبدیل تعادلی نامیده میشود.

انتخاب‌پذیري Selectivity: نسبت مقدار محصول مطلوب تولید شده به مقدار مواد واکنش‌دهنده مصرفی در راکتور میباشد.

بازده راکتور Yield: مقدار محصول مطلوب تولید شده به مقدار مواد واکنش دهنده‌اي که بـه راکتور تغذیه میشود. حال به بررسی متغیرهاي مهمی که بر عملکرد راکتور تاثیر دارند میپردازیم.

غلظت راکتور

هنگامی که بیش از یک ماده واکنش‌دهنده وجود داشته باشد، اغلب استفاده از مقدار بـیش از نیـاز یکی از واکنش‌دهنده‌ها نتیجه مطلوبی بدست خواهد داد. مخصوصاً اگر بخواهیم یکی از مواد به طور کامل مصرف شود (به علت قیمت بالا یا خطرناك بودن). گاهی اوقات مناسب است که یک ماده خنثی همراه با خوراك به راکتور تغذیه شود و یا قبل از پیشرفت کامل واکنش، محصول تولیدي خارج شود. بعـضی اوقات نیـز استفاده از یک مسیر برگشتی از فراورده‌هاي جانبی ناخواسته به راکتور مطلوب است. در مورد واکنش‌هاي برگشت‌ناپذیر اگر یکی از ترکیبات ورودي بیشتر از مقدار مورد نیاز به واکـنش وارد شود، میتواند ماده دیگر را به سمت کامل کردن سوق دهد. به عنوان مثال، واکنش بین اتیلن و کلر براي تولیـد ديکلرواتان را در نظر بگیرید:

C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

اگر از یک مقدار اتیلن اضافی جهت حصول اطمینان از تبدیل کامل ماده کلر استفاده شود مـشکل حـضور کلر در سیستم جداسازي بعدي از بین می رود. معمولاً در یک واکنش اگر یکی از اجزاء خطرنـاكتـر باشـد (مانند کلر در این مثال) باید از کامل شدن آن مطمئن شویم. اگر واکنش برگشت‌پذیر باشد هدف افزایش درصد تبدیل تعادلی میباشد. اگر یکی از خـوراكهـا را بـه مقدار اضافی وارد کنیم میتوانیم درصد تبدیل تعادلی را افزایش دهیم. گاهی اوقات با حذف مداوم محصول یا یکی از محصولات از راکتوري که واکـنش در آن در حـال پیـشرفت است، مـیتوان درصـد تبدیل تعـادلی را افزایش داد. مثلاًُ به وسیله تبخیر کردن مادهاي از راکتور فاز مایع. یک راه دیگر این است که واکنش در مراحـل پشت سر هم همراه با جداسازي محصولات در مراحل میانی صورت گیرد.

دمای راکتور

انتخاب دماي راکتور به عوامل زیادي بستگی دارد. عموماً این انتخاب باید به گونه‌اي باشد که سرعت‌هاي زیاد واکنش و حجم کمتر راکتور را ایجاد نماید. به طور عملی محدودیت‌هایی در انتخاب دماي راکتـور وجـود دارد، از جمله ملاحظات ایمنی، محدودیت‌هاي جنس ساختمان راکتور و یا حداکثر دماي عملکرد کاتالیست. بر حسب نوع واکنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود.

واکنش‌های گرماگیر

اگر یک واکنش گرماگیر باشد، عملکرد در دماي بالا باعث افزایش درصد تبـدیل مـیشود. همچنین دماي بالا، سرعت واکنش را زیاد و حجم راکتور را کم میکند. بنابراین براي واکنش‌هاي گرماگیر تا آنجـا که ممکن است، درجه حرارت بالا در نظر گرفته میشود به گونه‌اي که با ملاحظات ایمنی، محدودیت‌هـاي جنس ساختمان راکتور و عمر کاتالیست مطابقت داشته باشد.

واکنش‌های گرمازا

براي واکنش‌هاي برگشت‌ناپذیر گرمازا، تا آنجا کـه ممکن است، با توجه به ساختمان مواد، عمـر کاتالیست و مسائل ایمنی، باید درجه حرارت را پایین در نظر گرفت. در این صورت حجم راکتور حداقل خواهد شد. چنانچه واکنشی گرمازا و برگشت‌پذیر باشد، عملکرد در دماي پایین حداکثر مقدار درصد تبدیل را افزایش میدهد. لیکن عملکرد در دماي پایین سرعت واکنش را کاهش میدهد و در نتیجـه باعث افزایش حجم راکتور خواهد شد. بنابراین در ابتداي واکنش یعنی هنگامی که از حالت تعادل دور هستیم؛ استفاده از درجه حرارت بالا به منظور افزایش سرعت واکنش برتري دارد. اما همانطور که بـا گذشت زمان به حالت تعادل نزدیک میشویم، براي افزایش مقدار حداکثر درصد تبدیل باید درجه حرارت را پایین آورد. لذا براي واکنش‌هاي برگشت‌پذیر گرمازا، همانطور که درصد تبدیل زیاد میشود، درجه حرارت ایده‌آل به طور مداوم کاهش مییابد.
اگر در راکتور همراه واکنش اصلی واکنش‌هاي دیگري نیز صورت گیرد که باعث تولید محصولات جانبی شوند، باید در دمایی عملکرد که میزان تولید محصول اصلی بیشتر باشد. این کار اغلب به حداقل کردن حجم راکتور ترجیح دارد.

کنترل دما: در وهله اول عملکرد راکتور را آدیاباتیک یا عایق‌بندي‌شده فرض میکنیم. طراحی چنـین سیستمی سادهترین و ارزانترین طراحی ممکن است. اگر عملکرد عایق‌بندي‌شده در واکنش‌هاي گرمازا باعث افزایش غیرقابل پذیرش درجه حرارت و در واکـنش‌هاي گرماگیر باعث کاهش غیرقابل پذیرش درجه حرارت شود، با یکی از راهکارهاي زیر سر و کار داریم:

۱- انتقال حرارت غیرمستقیم با راکتور: اگر امکان عملکرد آدیاباتیک راکتور وجود نداشته باشد باید از حرارت غیر مستقیم و یا با خنک کردن غیر مستقیم استفاده نمود. این کار بـا استفاده از یک سطح انتقال حرارت داخلی یا خارجی در راکتور امکانپذیر است مانند استفاده از کویل‌ها و ژاکت‌ها.
۲- تزریق گرم و تزریق سرد: تزریق مستقیم خوراك تازه سرد به نقاط میانی راکتـور، تزریق سرد نامیده میشود. این عمل جهت کنترل دماي واکنش‌هاي گرمازا موثر است. اگر واکنش گرماگیر باشد، میتوان خوراك تازه پیش‌گرم‌شده را به نقاط میانی راکتور تزریق کرد. این عمل تزریق گرم نام دارد.
۳- حامل حرارت: افزایش یک ماده خنثی به خوراك راکتور، افزایش دمای واکنش‌های گرمازا و یا کاهش دما در واکنش‌های گرماگیر را کـاهش میدهد. باید تـا آنجا که ممکن است از یکی از سیالات موجود در فرایند به عنوان حامل استفاده کرد.
حتی اگر درجه حرارت راکتور در محدوده‌هاي قابل قبول کنترل شود، شاید لازم باشد که جریان خروجی از راکتور به سرعت سرد شود تا واکنش سریعاً متوقف شـده و از تـشکیل بیش از اندازه فراورده‌هـاي جانبی جلوگیري به عمل آید. عملیات خنک کـردن را مـیتوان به کمک انتقـال حرارت غیر مـستقیم با استفاده از تجهیزات مناسب و یا به وسیله انتقال حـرارت مـستقیم از طریق مخلوط کردن با یک سیال دیگر انجام داد.
وضعیتی که معمولاً زیاد با آن مواجه میشویم زمانی است که محصولات گازي در یک راکتور نیاز بـه سرد کردن سریع دارند و این کار به وسیله مخلوط کردن محصول با یک مایع صورت میگیرد که در حین کار، مایع تبخیر میشود. حرارت لازم براي تبخیر مایع باعث میشود که محصولات گازي به سرعت سرد شوند.
در واقع سرد کردن محصول خروجی از راکتور به کمک انتقال حرارت مستقیم به بسیاري از دلایل میتوند مورد استفاده قرار گیرد:

– واکنش بسیار سریع است و باید فوراً متوقف شود تا از تـشکیل فـراورده‌هـاي جـانبیِ اضـافی جلوگیري به عمل آید.
– محصولات راکتور آنقدر داغ یا خورنده هستند که اگر به طور مـستقیم از یک مبدل عبـور کنند، جنس ویژه‌اي براي ساختمان راکتور و مبدل یا طراحی مکانیکی گرانی لازم خواهد بود.
– سرد کردن محصولات راکتور باعث میشود که ضریب کثیفی در مبدل‌هـاي حرارتی متداول افزایش یابد. مایعی که براي انتقال حرارت مستقیم بکار میرود باید بـه گونه‌اي انتخاب شود که به آسانی قابل جداسازي از محصول و برگرداندن به راکتور باشد. در چنـین وضعیتی هزینه عملیاتی به حداقل خواهد رسید.
– از استعمال مواد خارجی، یعنی موادي که بیش از این در فرایند وجود نداشته‌اند، باید اجتناب کرد. چراکه در اغلب موارد جداسازي و یا برگرداندن این مواد با بازده بالا مشکل است. به علاوه مـواد خارجی بازگشت داده نشده در جریان خروجی مشکل‌ساز خواهند بود.

 

تهیه کننده: محمد بهزادی


انواع راکتور(Reactor)

بارگذاری توسط pedram nouri
بارگذاری در بهره‌برداری و فرآیند

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *