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O que são reatores químicos? Tipos de reatores químicos

Uma reação química é um processo queleva à transformação de reagentes. É caracterizada por mudanças que resultam em um ou mais produtos diferentes dos originais. Reações químicas são de natureza diferente. Depende do tipo de reagentes, a substância resultante, as condições e tempo de síntese, decomposição, deslocamento, isomerização, ácido-álcali, redox, etc. e os processos biológicos.

Reatores químicos são tanques,destina-se à realização de reações para produzir o produto final. Seu design depende de vários fatores e deve fornecer o máximo rendimento da maneira mais econômica possível.

Tipos

Existem três modelos básicos básicos de reatores químicos:

  • Ação periódica.
  • Contínuo com um agitador (HPM).
  • Reator com fluxo de pistão (PFR).

Estes modelos básicos podem ser modificados de acordo com os requisitos do processo químico.

reatores químicos

Reator em lote

Agregados químicos deste tipo são usados ​​emprocessos periódicos com pequenos volumes de produção, longos tempos de reação ou onde melhor seletividade é alcançada, como em alguns processos de polimerização.

Para este propósito, por exemplo, recipientes deAço inoxidável, cujo conteúdo é misturado com lâminas de trabalho internas, bolhas de gás ou com bombas. O controle de temperatura é realizado usando trocadores de calor, refrigeradores de refrigeração ou bombeando através de um trocador de calor.

Reatores de ação em lote no presenteo tempo é usado na indústria química e de processamento de alimentos. Sua automação e otimização criam dificuldades, pois é necessário combinar processos contínuos e discretos.

Reatores químicos de meio período combinamtrabalhar em modos contínuos e periódicos. O biorreator, por exemplo, é periodicamente carregado e constantemente libera dióxido de carbono, que deve ser continuamente removido. Da mesma forma, na reação de cloração, quando um dos reagentes é cloro gasoso, se não for introduzido continuamente, a maior parte dele evapora.

Para garantir grandes volumes de produção, são utilizados principalmente reatores químicos de ação contínua ou tanques de metal com um agitador ou com fluxo contínuo.

reator agitado

Reator contínuo de tanque agitado

Tanques de aço inoxidável são fornecidos com líquidoreagentes. Para garantir a interação adequada, eles são misturados por lâminas de trabalho. Assim, em reatores deste tipo, os reagentes são continuamente alimentados no primeiro tanque (vertical, aço), então eles caem no próximo, enquanto cuidadosamente misturando em cada tanque. Embora a composição da mistura seja uniforme em cada tanque individual, a concentração no sistema como um todo varia de capacidade para capacidade.

A quantidade média de tempo que é discretaa quantidade de reagente transportada no reservatório (tempo de residência) pode ser calculada simplesmente dividindo o volume do tanque pela vazão volumétrica média através dele. A porcentagem esperada de conclusão da reação é calculada usando cinética química.

Os recipientes são feitos de aço inoxidável ou ligas, bem como com revestimento de esmalte.

aço vertical do tanque

Alguns aspectos importantes do HPM

Todos os cálculos são realizados levando em conta o idealmistura. A reação prossegue a uma taxa associada à concentração final. Em um estado de equilíbrio, a velocidade do fluxo deve ser igual à taxa de fluxo, caso contrário, o tanque transbordará ou esvaziará.

Muitas vezes, é econômico trabalhar com váriosHPMs seqüenciais ou paralelos. Tanques de aço inoxidável, montados em uma cascata de cinco ou seis unidades, podem se comportar como um reator com fluxo de pistão. Isso permite que a primeira unidade trabalhe com uma concentração mais alta de reagentes e, portanto, uma taxa de reação mais alta. Além disso, vários estágios do HPM podem ser colocados no tanque de aço vertical, em vez de os processos ocorrerem em diferentes capacidades.

Na versão horizontal, a unidade de múltiplos estágios é seccionada por divisórias verticais de várias alturas, através das quais a mistura entra nas cascatas.

Quando os reagentes são mal misturados ou significativamentediferem na densidade, um reator vertical multi-estágio (esmaltado ou aço inoxidável) é usado no modo de contracorrente. Isso é eficaz para a realização de reações reversíveis.

Uma pequena camada pseudo-líquida é completamentemisturado. Um grande reator comercial de leito fluidizado tem uma temperatura praticamente uniforme, mas combina fluxos de mistura e deslocamento e estados de transição entre eles.

tanques de aço inoxidável

Reator de fluxo de plugue químico

O RPP é um reator (inoxidável) no qualou mais reagentes líquidos são bombeados através de um tubo ou tubos. Eles também são chamados de fluxo tubular. Pode ter vários canos ou tubos. Os reagentes são constantemente fornecidos através de uma extremidade e os produtos saem da outra. Os processos químicos prosseguem à medida que a mistura passa.

No RPP, a taxa de reação é gradiente: na entrada é muito alto, mas com uma diminuição na concentração de reagentes e um aumento no conteúdo dos produtos de sua produção, sua velocidade diminui. Normalmente, um estado de equilíbrio dinâmico é alcançado.

A orientação horizontal e vertical do reator é comum.

Quando a transferência de calor é necessária, os tubos individuais são colocados em uma camisa ou um trocador de calor de casco e tubo é usado. Neste último caso, os produtos químicos podem estar tanto no invólucro como no tubo.

Tanques de metal de grande diâmetro combicos ou banhos são semelhantes ao RPP e são amplamente utilizados. Em algumas configurações, o fluxo axial e radial, múltiplos invólucros com trocadores de calor integrados, posição horizontal ou vertical do reator e assim por diante são usados.

O tanque de reagente pode ser preenchido com partículas sólidas catalíticas ou inertes para melhorar o contato interfacial em reações heterogêneas.

Importante no RPT é que nos cálculos nãomistura vertical ou horizontal é levada em conta - é isso que significa o termo “fluxo de pistão”. Os reagentes podem ser introduzidos no reator não apenas na entrada. Assim, é possível obter maior eficiência do TPO ou reduzir seu tamanho e custo. O desempenho do RPP é geralmente maior que o do HPM do mesmo volume. Com valores iguais de volume e tempo em reatores de pistão, a reação terá uma porcentagem de conclusão maior do que em unidades de mistura.

reator de aço inoxidável

Equilíbrio dinâmico

Para a maioria dos processos químicos impossíveisalcançar uma conclusão de 100 por cento. Sua velocidade diminui com um aumento neste indicador até o momento em que o sistema alcança o equilíbrio dinâmico (quando uma reação total ou uma mudança na composição não ocorre). O ponto de equilíbrio da maioria dos sistemas está abaixo de 100% de conclusão do processo. Por esta razão, é necessário realizar um processo de separação, tal como destilação, para separar os reagentes restantes ou subprodutos do alvo. Esses reagentes podem às vezes ser reutilizados no início de um processo, como, por exemplo, o processo de haber.

Aplicação do RPP

Reatores de fluxo de pistão são usados ​​pararealizar transformações químicas de compostos durante o seu movimento através de um sistema que se assemelhe a tubos com a finalidade de conduzir reações de grande escala, rápidas, homogêneas ou heterogêneas, produção contínua e durante processos com a liberação de grandes quantidades de calor.

Um RPF ideal tem um tempo de residência fixo, isto é, qualquer líquido (pistão) que entra no tempo t irá deixá-lo no tempo t + τ, em que τ é o tempo gasto na instalação.

Reatores químicos deste tipo têmalto desempenho durante longos períodos de tempo, bem como excelente transferência de calor. As desvantagens do RPP são a complexidade de monitorar a temperatura do processo, o que pode levar a diferenças de temperatura indesejáveis, assim como seu maior custo.

tanques inoxidáveis

Reatores catalíticos

Embora unidades deste tipo sejam frequentemente implementadas emRPP, eles exigem manutenção mais complexa. A taxa da reação catalítica é proporcional à quantidade de catalisador em contato com os produtos químicos. No caso de catalisadores sólidos e reagentes líquidos, a velocidade dos processos é proporcional à área disponível, ao fluxo de produtos químicos e à seleção de produtos e depende da presença de mistura turbulenta.

Uma reação catalítica é frequentemente muitas vezes em vários estágios. Não apenas os reagentes iniciais interagem com o catalisador. Alguns produtos intermediários reagem com isso.

O comportamento dos catalisadores também é importante na cinética deste processo, especialmente em reações petroquímicas de alta temperatura, uma vez que eles são desativados por processos de sinterização, coqueificação e similares.

Aplicação de novas tecnologias

Os RPPs são usados ​​para conversão de biomassa. Os experimentos usaram reatores de alta pressão. A pressão neles pode atingir 35 MPa. O uso de vários tamanhos permite variar o tempo de residência de 0,5 a 600 s. Para atingir uma temperatura superior a 300 ° C, são utilizados reatores aquecidos eletricamente. A biomassa é fornecida usando bombas HPLC.

reatores de alta pressão

Nanopartículas de aerossol RPP

Existe um interesse considerável na síntese eo uso de partículas em nanoescala para diversos fins, incluindo ligas de alta liga e condutores de filme espesso para a indústria eletrônica. Outras aplicações incluem medidas de susceptibilidade magnética, transmissão no infravermelho distante e ressonância magnética nuclear. Para estes sistemas é necessário produzir partículas de tamanho controlado. Seu diâmetro é geralmente na faixa de 10 a 500 nm.

Devido ao seu tamanho, forma e alta especificidadeA área superficial destas partículas pode ser usada para produzir pigmentos cosméticos, membranas, catalisadores, cerâmicas, reatores catalíticos e fotocatalíticos. Exemplos de uso de nanopartículas incluem o SnO.2 para sensores de monóxido de carbono, TiO2 para guias de luz, SiO2 para dióxido de silício coloidal e ópticofibras, C para enchimento de carbono em pneus, Fe para materiais de gravação, Ni para baterias e, em volumes menores, paládio, magnésio e bismuto. Todos esses materiais são sintetizados em reatores de aerossol. Na medicina, as nanopartículas são usadas para a prevenção e tratamento de infecções de feridas, em implantes ósseos artificiais, bem como para visualização do cérebro.

Exemplo de produção

Para obter partículas de alumínio, fluxo de argônio,um vapor saturado de metal é resfriado em um RPP com um diâmetro de 18 mm e um comprimento de 0,5 m a uma temperatura de 1600 ° C a uma velocidade de 1000 ° C / s. À medida que o gás passa pelo reator, ocorre a nucleação e o crescimento de partículas de alumínio. A taxa de fluxo é de 2 dm.3/ min e a pressão é de 1 atm (1013 Pa). À medida que se move, o gás esfria e se torna supersaturado, o que leva à nucleação de partículas como resultado de colisões e evaporação de moléculas, repetindo até que a partícula atinja um tamanho crítico. À medida que se move através do gás supersaturado, as moléculas de alumínio se condensam nas partículas, aumentando seu tamanho.

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