یکی از ابزار ها و تجهیزات بسیار مهم و اساسی در مهندسی شیمی، راکتور شیمیایی است که با استفاده از آن، میتوان واکنش های شیمیایی را در مقیاس های مختلف کنترل کرد. امروزه، انتخاب و خرید راکتور شیمیایی با توجه به نوع واکنش و نیاز فرآیند، تاثیر بسیار زیادی بر نحوه عملکرد و بهره وری سیستم دارد و مزایای فراوانی نیز مانند کاهش هزینه ها، افزایش بازدهی و بهبود کیفیت خواهد داشت. با توجه به اهمیت این موضوع، در این مطلب، شما را با انواع راکتور های شیمیایی، کاربرد آن ها و موارد مهم دیگر در این زمینه آشنا خواهیم کرد.
همان طور که گفته شد، راکتور شیمیایی، نوعی ابزار بسیار مهم و اساسی برای افزودن مواد شیمیایی و انجام واکنش های شیمیایی است که از قسمت های مختلفی تشکیل شده است. در حال حاضر، بسیاری از مهندسان شیمی، این راکتور ها را برای افزایش ارزش فعلی خالص برای واکنش ها طراحی می کنند تا واکنش ایجاد شده، با بالاترین میزان بازدهی به سمت محصول خروجی پیش رود و به این ترتیب، خرید و بهره برداری محصول نیز با هزینه بسیار کمی انجام شود. به عبارت دیگر می توان گفت، هدف اصلی از طراحی و استفاده از راکتور شیمیایی این است که، واکنش ها در مقیاس بزرگ، به شکل کنترل شده و در کمترین زمان ممکن انجام شوند.
راکتور شیمیایی، دارای اجزای کلیدی و بسیار مهمی است که هر کدام نیز وظایف و عملکرد خاص خود را دارند. در ادامه، اجزای اصلی راکتور شیمیایی را بررسی خواهیم کرد:
بدنه راکتور شیمیایی، همان محفظه اصلی یا ساختار فیزیکی راکتور است که تمامی واکنش های شمیایی در آن انجام می شود. جنس این بدنه، اغلب از فلزات مقاوم در برابر خوردگی مانند فولاد ضد زنگ یا آلیاژ های مخصوص است که در برابر فشار، دما و خورندگی با مواد شیمیایی، مقاومت بالایی دارند. اندازه و شکل بدنه نیز با توجه به نوع فرآیند شیمیایی، مقیاس تولید و نوع واکنش انجام شده، متفاوت خواهد بود.
سیستم ورودی و خروجی، شامل تمامی مواد اولیه یا واکنش دهنده های وارد شده به داخل راکتور و محصولات خارج شده از آن است. برخی از این ورودی ها، مانند لوله های مخصوص تزریق مایعات، گاز ها یا مواد جامد به داخل راکتور هستند و خروجی ها نیز به صورتی طراحی شده اند تا محصول نهایی، به راحتی از راکتور خارج شود.
از آن جایی که در برخی از راکتور های شیمیایی به ویژه در واکنش های مایع یا گاز، نیاز به همسان سازی ترکیب مواد به منظور افزایش سرعت واکنش است، از سیستم همزن که شامل پروانه ها یا دستگاه های پیچیده دیگری است برای مخلوط کردن مواد واکنش دهنده استفاده خواهد شد. استفاده از این سیستم، موجب جلوگیری از جدا شدن فاز ها و اطمینان از یکنواختی دما و ترکیب شیمیایی خواهد شد.
در برخی موارد، واکنش های شیمیایی، موجب تولید حرارت زیاد شده و یا نیاز به حرارت بالا دارند که در این شرایط، وجود سیستم های گرمایشی و سرمایشی به منظور کنترل دما، در راکتور شیمیایی بسیار ضروری است. این سیستم، شامل کویل های گرمایشی، سیستم آب سرد، مبدل حرارتی و غیره نیز است تا دما را تا میزان مطلوب برای واکنش حفظ کند. انجام این کار، برای بازدهی بالا و جلوگیری از دمای زیاد بسیار مهم می باشد.
سنسور ها نیز از اجزای بسیار مهم در راکتور شیمیایی هستند که از آن ها، برای نظارت بر فاکتور های مختلفی مانند دما، فشار و میزان غلظت واکنش دهنده استفاده می شود تا به طور دقیق و مداوم، اطلاعات را برای سیستم کنترل ارسال کرده و شرایط اپراتور را تحت کنترل خود داشته باشند.
با توجه به تعریف راکتور شیمیایی و آشنایی با اجزای آن، در ادامه، با انواع راکتور شیمیایی نیز آشنا خواهید شد:
این نوع راکتور، یک مخزن بسته است که تمامی واکنش ها در آن اتفاق میفتد و نوعی راکتور ناپیوسته محسوب خواهد شد. عملکرد این نوع راکتور به گونه ای است که، تمامی واکنش دهنده ها به یکباره وارد آن می شوند تا از طریق تماس با هم، به شکل کاملا موثر با یکدیگر واکنش نشان داده و محصول نهایی را تولید کنند. لازم است بدانید، راکتور دسته ای، برای رسیدگی به واکنش های گرمازا، مجهز به سیم پیچ های خنک کننده نیز می باشد. یکی از مزایای استفاده از این نوع راکتور شیمیایی، تطبیق پذیری آن است و می توان از آن، برای واکنش شیمیایی انواع مختلفی از واکنش دهنده ها استفاده کرد.
این نوع راکتور شیمیایی، راکتور جریان مخلوط نیز نام دارد که در آن، یک واکنش در مخزن بسته رخ می دهد. این مخزن نیز دارای همزن بوده تا واکنش دهنده ها را مخلوط کند و آن ها را با غلظت مناسب در سراسر راکتور یکنواخت نماید. بزرگ ترین مزیت استفاده از راکتور شیمیایی پیوسته، توانایی تولید مقادیر زیادی از محصول می باشد.
این نوع راکتور شیمیایی، راکتور لوله ای پیوسته نیز نام دارد که در مدل ایده آل آن، می توان مشخصات مخلوط واکنش را از تعدادی پلاگ با غلظت یکنواخت در نظر گرفت. مزیت استفاده از راکتور جریان برق نیز این است که، به فضای کمتری برای سطح تبدیل نیاز دارد.
این نوع راکتور شیمیایی، یک راکتور نیمه جریان است که حاوی همزن برای مخلوط کردن واکنش دهنده ها نیز می باشد. در راکتور نیمه دسته ای، یکی از واکنش دهنده ها در ابتدا شارژ شده و دیگر واکنش دهنده ها با گذشت زمان به طور مداوم شارژ خواهند شد. مزیت استفاده از این نوع راکتور این است که در صورت انجام چندین واکنش، امکان کنترل بیشتری بر بازده یا گزینش پذیری محصول وجود دارد.
با توجه به مطالب گفته شده، باید بدانید که استفاده از راکتور شیمیایی، دارای مزایای فراوانی نیز می باشد که مهم ترین آن ها عبارتند از:
• استفاده آسان به دلیل طراحی ساده و سیستم کنترلی سازگار با نیاز کاربران
• همه کاره بودن راکتور و امکان ترکیب طیف وسیعی از مواد شیمیایی توسط آن
• دوام بالا به دلیل داشتن موادی با مقاومت کششی فراوان و امکان تحمل فشار ناشی از واکنش های شیمیایی
• امکان کنترل متغیر های واکنش مانند فشار و دمای راکتور