انواع راکتورهاي شيميايي Reactor

انواع راکتورهاي شيميايي تقسيم بندي راکتورها
راکتورها براساس نوع واکنش انتخاب مي شوند. بر اساس يک تقسيم بندي راکتورها به دو دسته به صورت زير تقسيم مي گردند:
1- مداوم مخزني (Continuous) شکل مجهز به همزن و لوله اي شکل
2-غير مداوم(non-continuous)
بر اساس نوع ديگر تقسيم بندي راکتورها را به دو دسته زير تقسيم مي کنند:
1-واحدي (Stagewise)
2-ديفرانسيلي(Differential)
راکتورهاي واحدي(Stagewise)
در اين نوع راکتورها شرايط ذر تمام حجم سيستم به صورت يکنواخت باقي مي ماند. اگرازهرنقطه راکتور نمونه برداري کنيم، از نظر ترکيب نسبي و دما يکسان است و هيچ تفاوتي ندارد و موازنه جرم و انرژي رادر تمام راکتور برقرار مي نماييم.
راکتورهاي ديفرانسيلي (Differential)
شرايط درهرنقطه از راکتور يکسان نبوده و به صورت ديفرانسيلي تغيير مي کند. ممکن است با زمان تغيير ننمايد، ولي از هر نقطه به نقطه ديگر متفاوت است. براي برقراري موازنه جرم و انرزي بايد يک جزء ديفرانسيلي در نظر گرفت.تفاوت راکتورهاي واحدي و ديفرانسيلي
اين است که در راکتورهاي ديفرانسيلي بين غلظت ورودي و خروجي، تمام مقادير را داريم ولي در راکتورهاي واحدي نمي توانيم غلظت را به طور پيوسته داشته باشيم و غلظت به طور پله اي تغيير مي کند.
راکتور ناپيوسته (Batch)
در يک راکتور ناپيوسته ورود و خروج جرم وجود ندارد. به عبارت ديگر ترکيب شوندگان را که ابتدا وارد ظرف کرده اند به شدت مخلوط مي کنند تا واکنش به مدت معيني انجام گيرد. از ديدگاه تاريخي راکتورهاي ناپيوسته از آغاز صنعت شيميايي مورد استفاده بوده است و هنوز هم به صورت وسيعي در توليد مواد شيميايي با ارزش افزودني بالا نظير دارو سازي مورد استفاده مي باشد. راکتورهاي نا پيوسته در موارد ذيل استفاده ميگردد:
1-توليد در مقياس هاي کوچک صنغتي
2-براي محصولاتي که توليد صنعتي آنها در شرايط مداوم مشکل است
3-توليد صنعتي محصولات گران قيمت
4-آزمايش کردن فرايند هاي نا شناخته
امتياز راکتورهاي ناپيوسته (Batch) در اين است که با دادن زمان لازم براي انجام واکنش مواد اوليه با درصد تبديل بالا به محصولات موردنظر تبديل مي گردند. در حالي که استفاده از اين نوع راکتورها محدود به واکنش هاي متجانس فاز مايع مي باشد. از ديگر محدوديت هاي اين نوع راکتورها بالا بودن هزينه توليد در واحد حجم محصول توليد شده مي باشد. همچنين توليد صنعتي در مقياس بالا در اين گونه راکتورها مشکل است. لازم به ذکر است که در يک راکتور نا پيوسته کامل (ايده آل) اختلاف درجه حرارت يا غلظت درون حجم سيستم وجود ندارد . هر چند به علت انجام واکنش غلظت اجزاء با زمان تغيير خواهد کرد ولي در هر لحظه در تمام نقاط سيستم غلظت يکسان خواهد بود و در نتيجه سرعت واکنش نيز در تمام نقاط يکسان و برابر سرعت متوسط سيستم مي باشد.
راکتورهاي نيمه پيوسته (semi batch)
در اين گونه راکتورها قسمتي از مخزن راکتور با يک يا چند ماده واکنش دهنده تا اندازه اي پر شده و مواد اضافه شونده به صورت پيوسته وارد راکتور مي شوند و حجم و ترکيب مخلوط واکنش دهنده با زمان تغيير مي کند وهنگامي که ميزان تبديل مطلوب حاصل گردد راکتور براي انجام فرايند بعدي تخليه مي گردد.
راکتور مخلوط شونده(CSTR)
راکتور مخلوط شونده در شرايطي که يک واکنش شيميايي احتياج به همزدن شديد داشته باشد مورد استفاده قرار مي گيرد.
راکتورهاي مخلوط شونده يا به تنهايي و يا به صورت پشت سرهم متصل مي گردند.
کنترل حرارتي در اين نوع راکتورها به آساني انجام مي گيرد. يکي از محدوديتهاي اين نوع راکتورها درصد تبديل پايين در مقايسه با ساير راکتورها مي باشد. به همين دليل حجم راکتور مذکور بايد بزرگ انتخاب شود، تا به درصد تبديل بالا دست يافت. راکتورهاي Mixed يا CSTR
براي اغلب واکنش هاي متجانس در فاز مايع استفاذه مي شود.
در راکتورهاي اختلاط کامل به علت وجود داشتن همزن خوراک ورودي به سرعت در سرتاسر ظرف پراکنده شده و غلظت در هر نقطه درون ظرف تقريبا يکسان است . لذا سرعت واکنش در تمام نقاط درون سيستم تقريبا يکسان مي گردد. بطور کلي در راکتورهاي اختلاط کامل (ايده آل) تغييرات مکاني غلظت (يا خواص فيزيکي) درون راکتور و يا در خروجي آن وجود ندارد و خواص درون سيستم يکنواخت مي باشد.


راکتورهاي لوله اي(Plug)
در صنايع شيميايي براي فرايند هاي با مقياس بزرگ معمولآ از راکتورهاي لوله اي استفاده مي شود. زيرا نگهداري سيستم راکتورهاي لوله اي آسان مي باشد (چون داراي قسمتهاي متحرک نيستند) ومعمولا بالاترين درصد تبديل مواد اوليه در واحد حجم راکتور را در مقايسه با ساير راکتورهاي سيستم جاري دارا هستند. از محدوديت اين نوع راکتورها مشکل حرارتي براي واکنشهاي گرمازاست که بسيار سريع عمل ميکنند و نهايتآ منجر به تشکيل نقاط داغ (Hot Spot) مي گردند. اغلب واکنشهاي متجانس گازي در اين نوع راکتورها انجام مي گيرند.
در جريان Plug سرعت کليه ذرات يکسان است. هيچ ذرهاي از ذره ديگر سبقت نمي گيرد و عقب هم نمي ماند. هيچگونه تداخلي هم در جريانها نداريم ولي در بيشتر موارد الگوي جريان متفاوت است. دليل اين است که همواره در جهت حرکت سيال يک جريان برگشتي (معکوس) داريم. حرکت معکوس سيال را Back Mixing (پس آميزي يا اختلاط متقابل) مي گويند. درون
راکتورهاي Plug غلظت از نقطه اي به نقطه ذيگر تغيير مي کند. چنين سيستمهايي توزيع شده (Distributed) ناميده مي شوند و تجزيه تحليل معادله عملکرد آنها در شرايط پايدار مستلزم حل معادلات است.
راکتورهاي دوره اي (Recycle Reactor)
در اين نوع راکتور مخلوط واکنش خروجي از راکتور بدون عبور از مراحل جدا سازي و بازيافت به ورودي راکتور برگشت داده مي شود. اين نوع برگشت در راکتور Mixed وجود دارد واز اين نظر امري عادي مي باشد. يعني استفاده از جريان برگشتي براي يک راکتور Mixed اثري روي بازدهي ندارد. بايد توجه داشت که استفاده از جريان برگشتي براي يک راکتور با جريان Plug معمولآ بازدهي را کاهش مي دهد و آن را به سمت بازدهي يک راکتور Mixed سوق مي دهد.
لذا معمولآ در شرايط زير از راکتورهاي دوره اي استفاده مي کنيم:
1-براي واکنشهاي اتوکاتاليزوري و واکنشهايي که احتياج به همزن خاصي دارند. مثلآ اگر واکنشي احتياج به درصد معيني از همزن (کمتر از الگوي اختلاط راکتور مخلوط شونده و بيشتر از الگوي اختلاط در راکتور لوله اي) داشته باشد از راکتور دوره اي استفاده مي کنيم.
2-براي واکنشهايي که بايد در شرايط هم دما انجام بگيرند.
3-براي واکنشهايي که متشکل از چند واکنش سري يا موازي رقابتي هستند، براي رسيدن به توليد بهينه (ماکزيمم) از محصول مورد نظر (Selectivity)، از راکتورهاي دوره اي استفاده مي کنيم.