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什么是化学反应堆？化学反应堆的种类

化学反应是导致试剂转化的过程。其特征在于导致一个或多个产品与原始产品不同的变化。化学反应具有不同的性质。取决于试剂的类型，所得物质的合成条件和时间，分解，置换，异构化，酸碱，氧化还原，有机过程等。

化学反应器是设计用于进行反应以生产最终产品的容器。他们的设计取决于各种因素，应以最具成本效益的方式提供最大收益。

类型

化学反应堆有三个基本的基本模型：

定期行动。
连续搅拌（HPM）。
具有活塞流量（PFR）的反应器。

这些基本型号可以根据化学过程的要求进行修改。

批量反应器

这种类型的化学聚集体在批量生产中使用，其生产量小，反应时间长，或者在一些聚合方法中，其中获得更好的选择性。

为此，例如，使用不锈钢容器，其内容物与内部工作叶片，气泡或泵混合。使用热交换器，制冷冷却器或通过热交换器泵送进行温度控制。

批号反应堆目前用于化学和食品加工业。它们的自动化和优化产生困难，因为有必要组合连续和离散的过程。

半周期化学反应堆结合了连续和周期模式的运行。例如，生物反应器被周期性地加载并且不断地释放二氧化碳，其必须被连续地去除。类似地，在氯化反应中，当其中一种反应物为氯气时，如果不连续引入，则其大部分蒸发。

为了确保大量生产，主要使用连续作用的化学反应器或具有搅拌器或连续流动的金属罐。

连续搅拌釜反应器

不锈钢罐配有液体试剂。为了确保正确的相互作用，它们与工作叶片混合。因此，在这种反应器中，将反应物连续地进料到第一罐（垂直钢，钢）中，然后它们落入下一个，同时在每个罐中仔细混合。虽然混合物的组成在每个单独的罐中是均匀的，但是系统中的浓度作为一个整体因容量而异。

可以通过简单地将罐的体积除以通过其的平均体积流量来计算在储存器中花费的离散量的试剂的平均时间（停留时间）。使用化学动力学计算反应完成的预期百分比。

容器由不锈钢或合金制成，还有搪瓷涂层。

HPM的一些重要方面

所有的计算都是考虑到理想的混合。反应以与最终浓度相关的速率进行。在平衡状态下，流速必须等于流速，否则水箱会溢出或溢出。

使用多个顺序或并行的HPM通常是经济的。以五或六个单元的级联组装的不锈钢罐可以像具有活塞流的反应器一样工作。这允许第一单元使用较高浓度的试剂，因此具有更高的反应速率。此外，几个HPM阶段可以放置在垂直钢水箱中，而不是以不同的能力进行。

在水平版本中，多级单元由各种高度的垂直分隔分隔，混合物通过该分段进入级联。

当试剂的密度差混合不同或显着不同时，垂直多级反应器（搪瓷或不锈钢）以逆流方式使用。这对于进行可逆反应是有效的。

一个小的假液层完全混合。大型商用流化床反应器具有几乎均匀的温度，但是它们之间混合和移动的流动和过渡状态相结合。

理想位移化学反应堆

PFR是一种（不锈钢）反应器，其中一个或多个液体试剂通过管道或泵管。它们也称为管状流。它可以有几根管子或管子。试剂不断供应，产品从另一端出来。当混合物通过时，化学过程进行。

在RPP中，反应速率为梯度：入口处非常高，但试剂浓度降低，产物含量增加，其速度降低。通常情况下，实现了动态平衡状态。

反应器的水平和垂直取向都是常见的。

当需要传热时，将各个管道放置在护套中或使用管壳式热交换器。在后一种情况下，可以在外壳和管道中找到化学品。

具有喷嘴或浴缸的大直径金属罐类似于PFR，被广泛使用。在一些构造中，使用轴向和径向流动，具有内置热交换器的多个壳体，反应器的水平或垂直位置等等。

试剂容器可以填充催化剂或惰性固体颗粒，以改善非均相反应中的界面接触。

RFP中的一个重要因素是在计算中不考虑垂直或水平混合，这是术语“活塞流”所指的。不仅可以将试剂引入反应器入口。因此，可以实现更高的PFR效率或减小其尺寸和成本。 PFR的性能通常高于相同体积的HPM的性能。在往复式反应器中具有相同的体积和时间值，反应将具有比混合单元更高的完成百分比。

动态平衡

对于大多数化学工艺，100％的完成是不可能的。它的速度随着该指标的增长而降低，直到系统达到动态平衡（当总反应或组成变化不发生时）。大多数系统的平衡点位于过程完成的100％以下。为此，需要分离过程，例如蒸馏，以将残留的试剂或副产物与目标物分离。这些试剂有时可以在该方法开始时重复使用，例如Haber方法。

PPP的应用

活塞流反应器用于通过类似于管道的系统进行化学转化，以进行大规模，快速，均匀或多相反应，连续生产和释放大量热量的过程。

理想的RPP具有固定的停留时间，即在时间t到达的任何液体（活塞）在时间t +τ处离开，其中τ是设施中的停留时间。

这种类型的化学反应器长时间具有高性能，以及优异的热传递。 PPP的缺点是监测过程温度的困难，这可能导致不希望的温度变化，以及它们更高的成本。

催化反应器

虽然这种类型的聚合通常以PPP的形式实现，但它们需要更复杂的维护。催化反应速率与化学物质接触的催化剂量成正比。在固体催化剂和液体试剂的情况下，过程的速率与可用面积，化学品的输入和产品的选择成比例，并且取决于湍流混合的存在。

催化反应实际上通常是多阶段反应。不仅初始试剂与催化剂相互作用。一些中间产品与之反应。

催化剂的行为在该方法的动力学中也是重要的，特别是在高温石油化学反应中，因为它们通过烧结，焦化和类似方法失活。

新技术的应用

PFR用于生物质转化。在实验中，使用高压反应器。其压力可达35MPa。使用几种尺寸使得可以将停留时间从0.5秒改变到600秒。为了达到300℃以上的温度，使用具有电加热的电抗器。使用HPLC泵进行生物质的供应。

气溶胶纳米颗粒的RPP

对于用于各种目的的纳米尺寸颗粒的合成和使用存在相当大的兴趣，包括用于电子工业的高合金合金和厚膜导体。其他应用包括磁化率，远红外线传输和核磁共振测量。对于这些系统，必须产生受控尺寸的颗粒。它们的直径通常在10至500nm的范围内。

由于它们的尺寸，形状和高比表面积，这些颗粒可用于生产化妆品颜料，膜，催化剂，陶瓷，催化和光催化反应器。纳米颗粒应用的实例包括用于一氧化碳传感器的SnO ₂ ，光导体的TiO ₂ ，胶体二氧化硅的SiO ₂和光纤，轮胎中的碳填充物，记录材料的Fe，电池的Ni，更小的钯，镁和铋所有这些材料都在气溶胶反应器中合成。在药物中，纳米颗粒用于预防和治疗伤口感染，人造骨植入物以及脑的可视化。

生产实例

为了获得铝颗粒，用金属蒸气饱和的氩气流以1600℃的速度以1000℃/ s的速率冷却直径为18mm，长度为0.5μm的PFD。当气体通过反应器时，会发生铝颗粒的形成和生长。流速为2dm ³ / min，压力为1atm（1013Pa）。当气体移动时，气体冷却并变得过饱和，这导致由于分子的碰撞和蒸发而导致的颗粒成核，重复直到颗粒达到临界尺寸。当它们通过过饱和气体时，铝分子在颗粒上凝结，增加其尺寸。