화학 반응기
Chemical reactor
화학반응기는 화학반응이 [1][2][3][4]일어나는 밀폐된 부피이다.화학공학에서는 일반적으로 화학반응을 [5]수행하는 데 사용되는 프로세스 용기로 이해되며, 이는 화학공정 분석의 고전적인 단위 작업 중 하나입니다.화학 반응기의 설계는 화학 공학의 여러 측면을 다룬다.화학 엔지니어는 주어진 반응에 대해 순현재가치를 최대화하기 위해 원자로를 설계한다.설계자는 원하는 출력 제품에 대한 반응을 최대한 효율적으로 진행하여 구매 및 운영에 최소의 비용이 들면서 최고의 제품 수율을 달성합니다.통상적인 운용비용에는 에너지 투입, 에너지 제거, 원료비, 인건비 등이 포함됩니다.에너지 변화는 가열 또는 냉각, 압력을 증가시키기 위한 펌핑, 마찰 압력 손실 또는 교반 등의 형태로 발생할 수 있습니다.
| 시리즈의 일부 |
| 화학 공학 |
|---|
 |
| 기초 |
| 단위 프로세스 |
| 양상 |
| 용어집 |
 카테고리 |
화학반응공학은 화학반응기와 그 설계를 다루는 화학공학의 한 분야이며, 특히 화학반응학을 산업 시스템에 적용함으로써 그러하다.
개요
화학반응기의 가장 일반적인 기본 유형은 탱크(반응물질이 전체 부피에서 혼합되는 경우)와 파이프 또는 튜브(층류 원자로 및 플러그류 원자로용)이다.
두 가지 유형 모두 연속형 원자로 또는 배치형 원자로로 사용할 수 있으며, 하나 이상의 고체(리액제, 촉매 또는 불활성 물질)를 수용할 수 있지만, 시약과 제품은 일반적으로 유체(액체 또는 기체)이다.연속 프로세스의 원자로는 일반적으로 정상 상태에서 가동되는 반면 배치 프로세스의 원자로는 반드시 과도 상태에서 가동된다.처음 또는 셧다운 후 원자로가 가동되면 원자로는 과도 상태가 되며 주요 프로세스 변수는 시간에 따라 변화합니다.
다양한 화학 원자로의 가장 중요한 프로세스 변수 추정에 사용되는 세 가지 이상적인 모델이 있다.
- 배치 원자로 모델,
- 연속 교반 탱크 원자로 모델(CSTR) 및
- Plug Flow Reactor Model(PFR; 플러그 플로우리액터 모델).
많은 실제 원자로는 이러한 기본 유형의 조합으로 모델링할 수 있다.
주요 프로세스 변수는 다음과 같습니다.
- 체류시간(,, 소문자 그리스어 타우)
- 볼륨(V)
- 온도(T)
- 압력(P)
- 화학종(C1, C2, C3, C, ...)의 농도Cn)
- 열전달계수(h, U)
관형 원자로는 종종 꽉 찬 침대가 될 수 있다.이 경우 튜브 또는 채널에는 입자 또는 알갱이(일반적으로 고체 촉매)[6]가 포함되어 있습니다.액상 또는 기체 상태의 반응물은 [7]촉매층을 통해 펌핑됩니다.화학반응기는 유동층일 수도 있다. "유동층 반응기"를 참조하라.
원자로에서 일어나는 화학반응은 열을 방출하는 발열성일 수도 있고 열을 흡수하는 것을 의미하는 흡열성일 수도 있다.탱크 원자로는 용기 벽의 바깥쪽에 냉각 또는 가열 재킷 또는 냉각 또는 가열 코일(튜브)을 감아 내용물을 냉각 또는 가열할 수 있으며, 관형 원자로는 반응이 강한 발열성일 경우 열교환기, 반응이 강한 [8]발열성일 경우 용해로처럼 설계할 수 있다.
종류들
배치 원자로
가장 단순한 유형의 원자로는 배치 원자로입니다.재료는 배치 원자로에 적재되어 시간이 지남에 따라 반응이 진행됩니다.배치형 원자로는 정상 상태에 도달하지 못하며 온도, 압력 및 부피의 제어가 필요한 경우가 많다.따라서 많은 배치 원자로에는 센서 및 재료 입출력용 포트가 있다.배치형 원자로는 일반적으로 양조, 펄핑 및 효소 생산과 같은 생물학적 물질과의 반응과 소규모 생산에서 사용된다.배치형 원자로의 예로는 압력형 원자로가 있다.
CSR(연속 교반 탱크 원자로)
CSR에서 1개 이상의 유체 시약이 통상적으로 임펠러와 교반되어 원자로 배기가스가 제거되는 동안 시약의 적절한 혼합을 보장하는 탱크 리액터에 도입된다.탱크의 부피를 탱크를 통과하는 평균 부피 유량으로 나누면 하나의 원자로 부피 유체를 처리하는 데 필요한 공간 시간, 즉 시간을 얻을 수 있다.화학역동학을 사용하여 반응의 예상 완료율을 계산할 수 있다.CSTR의 중요한 측면은 다음과 같습니다.
- 정상 상태에서 의 질량 유속은 출력 질량 유속과 같아야 합니다. 그렇지 않으면 탱크가 오버플로우 또는 빈 상태(과도 상태)가 됩니다.원자로가 과도 상태에 있는 동안 모델 방정식은 차등 질량과 에너지 균형에서 도출되어야 한다.
- 반응속도는 원자로 전체에서 균질하다고 가정하기 때문에 최종(출력) 농도와 관련된 반응속도로 진행된다.
- 많은 경우 여러 CSR을 연속적으로 운용하는 것이 경제적으로 유리합니다.이를 통해 예를 들어 첫 번째 CSR은 더 높은 시약 농도로 작동하므로 더 높은 반응 속도로 작동합니다.이 경우, 프로세스를 이행하는 데 필요한 총 자본 투자를 최소화하기 위해 원자로의 크기를 변경할 수 있다.
- 무한히 작은 CSR이 직렬로 동작하는 것은 PFR과 [9]동등하다는 것을 증명할 수 있습니다.
CSTR의 동작은 종종 Continuous Idealy 교반 탱크 원자로(CISTR)의 동작에 의해 근사 또는 모델링됩니다.CISTR에서 실행되는 모든 계산은 완벽한 혼합을 전제로 합니다.거주 시간이 혼합 시간의 5-10배인 경우 이 근사치는 엔지니어링 목적에 유효한 것으로 간주됩니다.CISTR 모델은 종종 엔지니어링 계산을 단순화하는 데 사용되며 연구용 원자로를 설명하는 데 사용될 수 있다.실제로는 혼합 시간이 매우 길 수 있는 산업용 원자로에서만 접근할 수 있다.
루프 리액터는 물리적으로는 관형 리액터와 비슷하지만 CSR처럼 작동하는 하이브리드 타입의 촉매 리액터입니다.반응 혼합물은 냉각 또는 가열용 재킷으로 둘러싸인 튜브의 루프 형태로 순환되며 시작 물질이 지속적으로 유입 및 배출됩니다.
PFR(플러그 플로우 리액터)
연속관상반응기(CTR)[10]라고도 불리는 PFR에서는 하나 이상의 유체시약이 파이프 또는 튜브를 통해 펌프됩니다.화학 반응은 시약이 PFR을 통과하면서 진행됩니다.이 유형의 원자로에서는 횡단 거리에 대한 변화된 반응 속도가 구배를 생성한다. PFR 입구에서는 속도가 매우 높지만 시약 농도가 감소하고 생성물의 농도가 증가하면 반응 속도가 느려진다.PFR의 중요한 측면:
- 이상화된 PFR 모델은 축 혼합이 없다고 가정한다. 즉, 원자로를 통과하는 유체의 요소는 "플러그 흐름"이라는 용어가 암시하는 바와 같이 원자로의 상류 또는 하류 유체와 혼합되지 않는다.
- 시약은 흡입구 이외의 원자로에서 PFR로 유입될 수 있다.이것에 의해, 보다 높은 효율을 얻을 수 있거나, PFR의 사이즈나 코스트를 삭감할 수 있다.
- PFR은 같은 부피의 CSR보다 이론적으로 효율이 높다.즉, 같은 시공간(또는 체류시간)이 주어지면 반응은 CSR보다 PFR에서 더 높은 비율의 완료로 진행됩니다.이것은 가역반응의 경우 항상 해당되는 것은 아니다.
산업상 관심이 있는 대부분의 화학반응에서 반응이 100% 완료되는 것은 불가능하다.반응 속도는 시스템이 동적 평형에 도달할 때까지 반응물이 소비됨에 따라 감소한다(순반응 또는 화학종 변화가 발생하지 않음).대부분의 시스템에서 평형점은 100% 미만으로 완성됩니다.이러한 이유로 증류와 같은 분리 과정은 원하는 제품에서 남은 시약이나 부산물을 분리하기 위해 종종 화학 반응기를 따릅니다.이러한 시약은 Haber 공정과 같이 공정 초기에 재사용될 수 있습니다.경우에 따라서는 평형에 접근하기 위해 매우 큰 원자로가 필요할 수 있으며, 화학 엔지니어는 부분적으로 반응한 혼합물을 분리하여 남은 반응물을 재활용할 수도 있다.
층류 조건에서는 튜브의 중심을 통과하는 유체가 벽면에 있는 유체보다 훨씬 빠르게 이동하기 때문에 플러그 흐름의 가정이 매우 부정확합니다.연속발진방해반응기(COBR)는 유체진동과 오리피스 배플의 조합에 의해 완전한 혼합을 실현하여 층류 조건 하에서 플러그 흐름을 근사화할 수 있습니다.
세미배치 원자로
세미배치 리액터는 연속 및 배치 입출력 양쪽에 의해 동작한다.예를 들어 발효기에는 지속적으로 제거되어야 하는 이산화탄소를 지속적으로 생성하는 배지와 미생물이 적재됩니다.마찬가지로, 기체와 액체를 반응시키는 것은 보통 어렵습니다. 왜냐하면 동일한 액체와 반응하려면 많은 양의 기체가 필요하기 때문입니다.이 문제를 해결하기 위해, 기체의 연속적인 공급은 액체 한 묶음을 통해 거품을 낼 수 있습니다.일반적으로 반동작에서, 하나의 화학반응물이 원자로에 적재되고 두 번째 화학반응물이 천천히 첨가되거나(예를 들어, 측면반응을 방지하기 위해), 또는 상변화에 의해 생성된 생성물, 예를 들어 반응에 의해 형성된 기체, 침전되는 고체, 또는 형성되는 소수성 생성물이 지속적으로 제거되는 소수성 생성물.수용액
촉매 반응기
촉매 반응로는 종종 플러그 플로우 원자로로 구현되지만, 그 분석은 더 복잡한 처리를 필요로 한다.촉매 반응 속도는 시약이 접촉하는 촉매의 양과 반응물의 농도에 비례합니다.고체상 촉매 및 유체상 시약의 경우, 이는 노출 면적, 제품 내 및 외 시약의 확산 효율성, 혼합 효율에 비례합니다.완벽한 혼합은 일반적으로 가정할 수 없습니다.또한 촉매 반응 경로는 종종 촉매에 화학적으로 결합된 중간체와 함께 여러 단계로 발생하며, 촉매에 화학 결합도 화학 반응이기 때문에 역학에 영향을 미칠 수 있습니다.촉매 반응은 물리적 운송 효과로 인해 겉으로 보이는 속도론이 실제 화학 속도론과 다를 때 소위 왜곡된 속도론을 나타낸다.
촉매의 동작도 고려 사항입니다.특히 고온 석유화학 공정에서는 촉매가 소결, 코크, 중독 등의 공정에 의해 비활성화된다.
촉매 반응기의 일반적인 예는 자동차 배기가스의 독성 성분을 처리하는 촉매 변환기입니다.그러나, 대부분의 석유화학 원자로는 촉매제이며, 황산, 암모니아, 리폼레이트/B를 포함한 매우 많은 양의 예시와 함께 대부분의 산업용 화학 생산을 담당합니다.TEX(벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠 및 자일렌) 및 유체 촉매 균열.다양한 구성이 가능하다. 이종 촉매 반응기를 참조한다.
레퍼런스
- ^ Pereira, Carmo J.; Leib, Tiberiu M. (2008). "Section 19, Reactors". Perry's Chemical Engineer's Handbook (8th ed.). New York: McGraw-Hill. p. 4. ISBN 9780071542265. OCLC 191805887.
- ^ Prud'homme, Roger (2010-07-15). Flows of Reactive Fluids. Springer Science+Business Media. p. 109. ISBN 9780817646592.
- ^ Schmidt, Lanny D. (1998). The Engineering of Chemical Reactions. New York: Oxford University Press. ISBN 0195105885.
- ^ Levenspiel, Octave (January 1993). The Chemical Reactor Omnibook. Oregon St Univ Bookstores. ISBN 0882461605.
- ^ Suresh, S.; Sundaramoorthy, S. (2014-12-18). Green Chemical Engineering: An Introduction to Catalysis, Kinetics, and Chemical Processes. CRC Press. p. 67. ISBN 9781466558854.
- ^ Jakobsen, Hugo A. (2014-04-02). Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows. Springer Science+Business Media. p. 1057. ISBN 9783319050928.
- ^ Foley, Alexandra (2014-08-15). "What Is a Packed Bed Reactor?". COMSOL Multiphysics©. Archived from the original on 2016-10-20. Retrieved 2016-10-19.
- ^ Peacock, D. G.; Richardson, J. F. (2012-12-02). Chemical Engineering, Volume 3: Chemical and Biochemical Reactors and Process Control. Elsevier. p. 8. ISBN 978-0080571546.
- ^ Ravi, R.; Vinu, R.; Gummadi, S. N. (2017-09-26). Coulson and Richardson's Chemical Engineering: Volume 3A: Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering. Butterworth-Heinemann. p. 80. ISBN 9780081012239.
- ^ "Plug Flow Reactor Vapourtec Ltd". Vapourtec. Archived from the original on 2016-10-20. Retrieved 2016-10-19.
