واکنشهای متجانس و نامتجانس

[unification 207]

واکنشهای متجانس و نامتجانس درراکتور را توضیح بدید

ممنون

[سیندخت 18786]

دوست عزیز لطفا سوالات خودتون رو در این تاپیک بپرسید

 

اشکالات و سوالات درسی

 

 

 

واكنش هاي متجانس واكنش هايي هستند كه در آن تمام تركيب شوندگان در يك فاز كه ممكن است گاز، مايع و يا جامد باشد، موجود هستند . همچنين در صورتيكه واكنش كاتاليزوري باشد، كاتاليزور هم بايستي در همان فاز وجود داشته باشد . واكنش هاي نامتجانس ،واكنش هايي هستند كه براي انجام آنها حداقل دو فاز لازم باشد.

[spow 44197]

رآكتور (Reactor)

 

چكيده:

 

راكتور يك ظرف يا محفظه با شكل هاي مختلف مي باشد كه در آن واكنش شيميايي صورت مي گيرد و در آن مواد ورودي به محصولات تبديل مي شوند. راكتورها از لحاظ عملكردشان به گروههاي ريز تقسيم بندي مي شوند: راكتورهاي ناپيوسته ، راكتورهاي نيمه پيوسته ، راكتور هاي مخلوط شونده ، راكتورهاي لوله اي و راكتورهاي بستر سيال تقسيم بندي مي شوند. واكنش هاي شيميايي كه در داخل راكتور صورت مي گيرند به دو دسته كلي متجانس Homogenous و نامتجانس Heterogeneous تقسيم بندي مي شوند. سه پارامتر مهمي كه جهت توصيف عملكرد راكتور مورد استفاده قرار مي گيرد عبارتند از:درصد تبديل Conversion، انتخاب پذيري Selectivity، بازده راكتور Yield

 

مقدمه:

 

راكتور يك ظرف يا محفظه با شكل هاي مختلف مي باشد كه در آن واكنش شيميايي صورت مي گيرد و در آن مواد ورودي به محصولات تبديل مي شوند: كه به دو دسته پليمري و غيرپليمري تقسيم مي شوند.

 

واكنش هاي شيميايي كه در داخل راكتور صورت مي گيرند به دو دسته كلي متجانس (Homogenous) و نامتجانس (Heterogeneous) تقسيم بندي مي شوند. واكنش هاي متجانس واكنش هايي هستند كه در آن تمام تركيب شوندگان در يك فاز كه ممكن است گاز، مايع و يا جامد باشد، موجود هستند . همچنين در صورتيكه واكنش كاتاليزوري باشد، كاتاليزور هم بايستي در همان فاز وجود داشته باشد . واكنش هاي نامتجانس ،واكنش هايي هستند كه براي انجام آنها حداقل دو فاز لازم باشد.

 

متغيرهاي زيادي سرعت واكنش را تغيير مي دهند، در سيستم هاي متجانس ، دما ، فشار و غلظت متغيرهاي واضحي هستند. در سيستم هاي نامتجانس به دليل آنكه بيش از يك فاز وجود دارد و در طول واكنش مواد بايستي از يك فاز به فاز ديگر متصل شوند، علاوه بر دما، فشار و غلظت، سرعت انتقال جرم و سرعت انتقال حرارت نيز اهميت دارد.

 

عملكرد راكتور

 

براي راكتورها، سه پارامتر مهم جهت توصيف عملكرد راكتور مورد استفاده قرار مي گيرد:

 

درصد تبديل Conversion: نسبت مقدار مواد واكنش دهنده مصرفي در راكتور به مقدار مواد واكنش دهنده اي به راكتور تغذيه مي باشد. اگر واكنش برگشت پذير باشد، حداكثر درصد تبديلي كه به آن مي توان رسيد درصد تبديل تعادلي ناميده مي شود.

انتخاب پذيري Selectivity: نسبت مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واكنش دهنده مصرفي در راكتور مي باشد.

بازده راكتور Yield: مقدار محصول مطلوب توليد شده به مقدار مواد واكنش دهنده اي كه به راكتور تغذيه مي شود

 

حال به بررسي متغيرهاي مهمي كه بر عملكرد راكتور تاثير دارند مي پردازيم.

 

غلظت راكتور

 

هنگامي كه بيش از يك ماده واكنش دهنده وجود داشته باشد، اغلب استفاده از مقدار بيش از نياز يكي از واكنش دهنده ها نتيجه مطلوبي بدست خواهد داد. مخصوصاً اگر بخواهيم يكي از مواد به طور كامل مصرف شود (به علت قيمت بالا يا خطرناك بودن(گاهي اوقات مناسب است كه يك ماده خنثي همراه با خوراك به راكتور تغذيه شود و يا قبل از پيشرفت كامل واكنش، محصول توليدي خارج شود. بعضي اوقات نيز استفاده از يك مسير برگشتي از فراورده هاي جانبي ناخواسته به راكتور مطلوب است.

 

در مورد واكنش هاي برگشت ناپذير اگر يكي از تركيبات ورودي بيش تر از مقدار مورد نياز به واكنش وارد شود، مي تواند ماده ديگر را به سمت كامل كردن سوق دهد. به عنوان مثال، واكنش بين اتيلن و كلر براي توليد دي كلرواتان را در نظر بگيريد:

 

C2H4 + Cl2 → C2H4Cl2

 

اگر از يك مقدار اتيلن اضافي جهت حصول اطمينان از تبديل كامل ماده كلر استفاده شود مشكل حضور كلر در سيستم جداسازي بعدي از بين مي رود. معمولاً در يك واكنش اگر يكي از اجزاء خطرناك تر باشد (مانند كلر در اين مثال) بايد از كامل شدن آن مطمئن شويم.

 

اگر واكنش برگشت پذير باشد هدف افزايش درصد تبديل تعادلي مي باشد. اگر يكي از خوراك ها را به مقدار اضافي وارد كنيم مي توانيم درصد تبديل تعادلي را افزايش دهيم. گاهي اوقات با حذف مداوم محصول يا يكي از محصولات از راكتوري كه واكنش در آن در حال پيشرفت است، مي توان درصد تبديل تعادلي را افزايش داد. مثلا به وسيله تبخير كردن ماده اي از راكتور فاز مايع. يك راه ديگر اين است كه واكنش در مراحل پشت سر هم همراه با جداسازي محصولات در مراحل مياني صورت گيرد.

 

دماي راكتور

 

انتخاب دماي راكتور به عوامل زيادي بستگي دارد. عموماً اين انتخاب بايد به گونه اي باشد كه سرعت هاي زياد واكنش و حجم كمتر راكتور را ايجاد نمايد. به طور عملي محدوديت هايي در انتخاب دماي راكتور وجود دارد، از جمله ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راكتور و يا حداكثر دماي عملكرد كاتاليست. برحسب نوع واكنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود.

[spow 44197]

واكنشهاي گرماگير

 

اگر يك واكنش گرماگير باشد، عملكرد در دماي بالا باعث افزايش درصد تبديل مي شود . همچنين دماي بالا، سرعت واكنش را زياد و حجم راكتور را كم مي كند. بنابراين براي واكنش هاي گرماگير تاآنجا كه ممكن است، درجه حرارت بالا در نظر گرفته مي شود به گونه اي كه با ملاحظات ايمني، محدوديت هاي جنس ساختمان راكتور و عمر كاتاليست مطابقت داشته باشد.

 

واكنش هاي گرمازا

 

براي واكنش هاي برگشت ناپذير گرمازا، تا آنجا كه ممكن است، با توجه به ساختمان مواد، عمر كاتاليست و مسائل ايمني، بايد درجه حرارت را پايين در نظر گرفت. در اين صورت حجم راكتور حداقل خواهد شد. چنانچه واكنشي گرمازا و برگشت پذير باشد، عملكرد در دماي پايين حداكثر مقدار درصد تبديل را افزايش مي دهد. ليكن عملكرد در دماي پايين سرعت واكنش را كاهش مي دهد و در نتيجه باعث افزايش حجم راكتور خواهد شد. بنابراين در ابتداي واكنش يعني هنگامي كه از حالت تعادل دور هستيم؛ استفاده از درجه حرارت بالا به منظور افزايش سرعت واكنش برتري دارد. اما همانطور كه با گذشت زمان به حالت تعادل نزديك مي شويم، براي افزايش مقدار حداكثر درصد تبديل بايد درجه حرارت را پايين آورد. لذا براي واكنش هاي برگشت پذير گرمازا، همانطور كه درصد تبديل زياد مي شود، درجه حرارت ايده آل به طور مداوم كاهش مي يابد.

 

اگر در راكتور همراه واكنش اصلي واكنش هاي ديگري نيز صورت گيرد كه باعث توليد محصولات جانبي شوند، بايد در دمايي عمل كرد كه ميزان توليد محصول اصلي بيشتر باشد. اين كار اغلب به حداقل كردن حجم راكتور ترجيح دارد.

 

كنترل دما:

 

در وهله اول عملكرد راكتور را آدياباتيك يا عايق بندي شده فرض مي كنيم . طراحي چنين سيستمي ساده ترين و ارزان ترين طراحي ممكن است. اگر عملكرد عايق بندي شده در واكنش هاي گرمازا باعث افزايش غيرقابل پذيرش درجه حرارت و در واكنش هاي گرماگير باعث كاهش غيرقابل پذيرش درجه حرارت شود، با يكي از راهكارهاي زير سر و كار داريم:

 

انتقال حرارت غيرمستقيم با راكتور: اگر امكان عملكرد آدياباتيك راكتور وجود نداشته باشد بايد از حرارت غير مستقيم و يا با خنك كردن غير مستقيم استفاده نمود . اين كار با استفاده از يك سطح انتقال حرارت داخلي يا خارجي در راكتور امكان پذير است مانند استفاده از كويل ها و ژاكت ها.

تزريق گرم و تزريق سرد: تزريق مستقيم خوراك تازة سرد به نقاط مياني راكتور، تزريق سرد ناميده مي شود. اين عمل جهت كنترل دماي واكنش هاي گرمازا موثر است. اگر واكنش گرماگير باشد، مي توان خوراك تازه پيش گرم شده را به نقاط مياني راكتور تزريق كرد. اين عمل تزريق گرم نام دارد.

حامل حرارت: افزايش يك ماده خنثي به خوراك راكتور، افزايش دماي واكن شهاي گرمازا و يا كاهش دما در واكنش هاي گرماگير را كاهش مي دهد . بايد تا آنجا كه ممكن است از يكي از سيالات موجود در فرايند به عنوان حامل استفاده كرد.

 

حتي اگر درجه حرارت راكتور در محدوده هاي قابل قبول كنترل شود، شايد لازم باشد كه جريان خروجي از راكتور به سرعت سرد شود تا واكنش سريعاً متوقف شده و از تشكيل بيش از اندازه فراورده هاي جانبي جلوگيري به عمل آيد. عمليات خنك كردن را مي توان به كمك انتقال حرارت غير مستقيم با استفاده از تجهيزات مناسب و يا به وسيله انتقال حرارت مستقيم از طريق مخلوط كردن با يك سيال ديگر انجام داد .

 

وضعيتي كه معمولاً زياد با آن مواجه مي شويم زماني است كه محصولات گازي در يك راكتور نياز به سرد كردن سريع دارند و اين كار به وسيله مخلوط كردن محصول با يك مايع صورت مي گيرد كه در حين كار، مايع تبخير مي شود. حرارت لازم براي تبخير مايع باعث مي شود كه محصولات گازي به سرعت سرد شوند. در واقع سرد كردن محصول خروجي از راكتور به كمك انتقال حرارت مستقيم به بسياري از دلايل مي توند مورد استفاده قرار گيرد:

 

واكنش بسيار سريع است و بايد فوراً متوقف شود تا از تشكيل فراورده هاي جانبيِ اضافي جلوگيري به عمل آيد.

محصولات راكتور آنقدر داغ يا خورنده هستند كه اگر به طور مستقيم از يك مبدل عبور كنند، جنس ويژه اي براي ساختمان راكتور و مبدل يا طراحي مكانيكي گراني لازم خواهد بود.

سرد كردن محصولات راكتور باعث مي شود كه ضريب كثيفي در مبدل هاي حرارتي متداول افزايش يابد. مايعي كه براي انتقال حرارت مستقيم بكار مي رود بايد به گونه اي انتخاب شود كه به آساني قابل جداسازي از محصول و برگرداندن به راكتور باشد . در چنين وضعيتي هزينه عملياتي به حداقل خواهد رسيد.

از استعمال مواد خارجي، يعني موادي كه بيش از اين در فرايند وجود نداشته اند، بايد اجتناب كرد. چراكه در اغلب موارد جداسازي و يا برگرداندن اين مواد با بازده بالا مشكل است. به علاوه مواد خارجي بازگشت داده نشده در جريان خروجي مشكل ساز خواهند بود.

[spow 44197]

فشار راكتور

 

افزايش فشار در واكنش هاي برگشت ناپذير فاز بخار سرعت واكنش را زياد مي كند و لذا حجم راكتور را كاهش مي دهد. اين امر به دو علت ايجاد مي شود؛ هم به علت كاهش زمان اقامت مورد نياز براي يك تبديل معين در راكتور و هم به وسيله افزايش دانسيته بخار. به طور كلي پارامتر فشار اثر ناچيزي بر روي سرعت واكنش هاي فاز مايع دارد.

 

انتخاب فشار در واكنش هاي برگشت پذير فاز بخار به اين امر بستگي دارد كه آيا واكنش همراه با كاهش و يا افزايش در تعداد مول ها است و يا اينكه توليد محصول با واكنش ها و محصولات جانبي همراه است يا نه.

 

اگر واكنش برگشت ناپذير با كاهش تعداد مول ها همراه باشد، افزايش فشار راكتور، درصد تبديل تعادلي و سرعت واكنش را افزايش و همچنين حج م راكتور را كاهش مي دهد ؛ بنابراين در اين حالت بايد فشار در بالاترين حد عملياتي تنظيم شود؛ نبايد از اين نكته غافل شد كه فشار بالا از طريق توان بالاتر كمپر سور تامين مي شود كه از نظر هزينه قابل توجه است. به علاوه ساختمان مكانيكي لازم براي فشار بالا هزينه گزاف ي را ايجاد مي كند.

 

در واكنش هاي برگشت ناپذير كه با افزايش تعداد مولها همراه است كاهش در فشار راكتور، درصد تبديل تعدلي را افزايش مي دهد؛ ليكن عملكرد تحت يك فشار كم، سرعت واكنش هاي فاز بخار را كاهش و حجم راكتور را افزايش مي دهد. بنابراين در ابتداي كار كه از تعادل دور هستيم، استفاده از فشارهاي بالا به منظور افزايش سرعت واكنش مناسب تر است؛ اما هنگامي كه به شرايط تعادلي نزديك مي شويم، براي افزايش درصد تبديل بالا فشار را بايد كاهش داد.

 

اگر در راكتور واكنش هاي جانبي و محصولات جانبي نيز توليد شود، فشار بايد به گونه اي انتخاب شود كه محصولات جانبي كمتري توليد شود. در اين حالت اغلب افزايش توليد محصول مطلوب نسبت به حجم راكتور ترجيح داده مي شود.

 

براي واكنش هاي فاز مايع فشار اثر بسيار كمي دارد و فشار احتمالاً بايد به گونه اي انتخاب شود كه:

 

از تبخير محصولات جلوگيري كند

اجازه دهد تا يكي از محصولات در واكنش برگشت پذير تبخير شود؛ زيرا با خروج اين جزء مقدار حداكثر درصد تبديل افزايش مي يابد.

 

فاز راكتور

 

اگر امكان يك انتخاب آزاد بين واكنش هاي فاز مايع و واكنش هاي فاز گاز وجود داشته باشد، معمولاً عمل در فاز مايع ترجيح داده مي شود چون حجم راكتور مورد نياز در واكنش هاي فاز مايع كوچكتر است و نيز تجهيزات مورد استفاده براي فاز مايع كم هزينه تر مي باشد.

 

عدم كارايي راكتور در استفاده از مواد ورودي مي تواند به صورت هاي زير باشد:

 

چنانچه درصد تبديل بدست آمده در راكتور پايين بوده و جدا كردن و بازگرداندن خوراك واكنش نداده دشوار باشد.

از طريق تشكيل فراورده هاي جانبي ناخوسته، گاهي اوقات فراورده هاي جانبي خوراك محصول با ارزش است، گاهي اوقات به عنوان يك سوخت ارزش دارد . اما گاهي اوقات مشكل آفرين بوده و نياز به فرايندهاي تصفيه پساب گران قيمت دارد.

ناخالصي هاي خوراك مي تواند واكنش را به تشكيل فراورده هاي جانبي سوق دهد. بهترين راه اجتناب از اين امر، خالص سازي خوراك قبل از واكنش است.

 

كارايي خوب راكتور مستلزم كنترل دقيق متغيرهاي عملياتي مانند فشار، دما و غلظت مي باشد.