مفاعل كيميائي

أبسط أنواع المفاعلات هو المفاعل الدفعي. تُوضع المواد في هذا المفاعل، ويستمر التفاعل بمرور الوقت. لا يصل المفاعل الدفعي إلى حالة استقرار، ولذا غالبًا ما يكون التحكم في درجة الحرارة والضغط والحجم ضروريًا. لذلك، تحتوي العديد من المفاعلات الدفعية على منافذ لأجهزة الاستشعار وإدخال وإخراج المواد. تُستخدم المفاعلات الدفعية عادةً في الإنتاج على نطاق صغير وفي التفاعلات مع المواد البيولوجية، كما هو الحال في صناعة الجعة، وتصنيع اللب، وإنتاج الإنزيمات. ومن الأمثلة على المفاعلات الدفعية مفاعل الضغط .

في مفاعل الخلط المستمر (CSTR)، يُضاف واحد أو أكثر من الكواشف السائلة إلى خزان المفاعل، حيث يُحرّك عادةً بواسطة دافع لضمان خلط الكواشف جيدًا أثناء إزالة السائل الخارج من المفاعل. بقسمة حجم الخزان على متوسط ​​معدل التدفق الحجمي عبره، نحصل على زمن الفراغ ، أو الزمن اللازم لمعالجة حجم واحد من السائل في المفاعل. باستخدام الحركية الكيميائية ، يمكن حساب النسبة المئوية المتوقعة لإتمام التفاعل . من أهم جوانب مفاعل الخلط المستمر:

• في حالة الاستقرار، يجب أن يتساوى معدل تدفق الكتلة الداخل مع معدل تدفق الكتلة الخارج، وإلا سيفيض الخزان أو يفرغ (حالة انتقالية). أثناء وجود المفاعل في حالة انتقالية، يجب اشتقاق معادلة النموذج من موازنات الكتلة والطاقة التفاضلية.
• يسير التفاعل بمعدل التفاعل المرتبط بالتركيز النهائي (الناتج)، حيث يُفترض أن يكون التركيز متجانسًا في جميع أنحاء المفاعل.
• غالباً ما يكون تشغيل عدة مفاعلات خلط مستمر (CSTRs) على التوالي مجدياً اقتصادياً. يسمح هذا، على سبيل المثال، للمفاعل الأول بالعمل بتركيز أعلى للمواد المتفاعلة، وبالتالي بمعدل تفاعل أعلى. في هذه الحالات، يمكن تغيير أحجام المفاعلات لتقليل إجمالي الاستثمار الرأسمالي المطلوب لتنفيذ العملية.
• يمكن إثبات أن عددًا لا نهائيًا من مفاعلات الخلط المستمر الصغيرة جدًا التي تعمل على التوالي ستكون مكافئة لمفاعل التدفق الأنبوبي. ^{[ 9 ]}

غالبًا ما يُقارب سلوك مفاعل الخلط المستمر (CSTR) أو يُنمذج بسلوك مفاعل الخلط المستمر المثالي (CISTR). تفترض جميع الحسابات التي تُجرى باستخدام مفاعلات CISTR خلطًا مثاليًا . إذا كان زمن الإقامة يتراوح بين 5 و10 أضعاف زمن الخلط، يُعتبر هذا التقريب صالحًا للأغراض الهندسية. يُستخدم نموذج CISTR عادةً لتبسيط الحسابات الهندسية، ويمكن استخدامه لوصف مفاعلات الأبحاث. عمليًا، لا يُمكن تطبيقه إلا في المفاعلات الصناعية الكبيرة حيث قد يكون زمن الخلط طويلًا جدًا.

المفاعل الحلقي هو نوع هجين من المفاعلات التحفيزية يشبه المفاعل الأنبوبي من حيث الشكل، ولكنه يعمل مثل مفاعل الخلط المستمر. يتم تدوير خليط التفاعل في حلقة أنبوبية، محاطة بغلاف للتبريد أو التسخين، وهناك تدفق مستمر للمواد الأولية إلى الداخل والمنتجات إلى الخارج.

في مفاعل التدفق الأنبوبي (PFR)، والذي يُسمى أحيانًا بالمفاعل الأنبوبي المستمر (CTR)، ^{[ 10 ]} يُضخ سائل أو أكثر من الكواشف عبر أنبوب. ويحدث التفاعل الكيميائي أثناء مرور الكواشف عبر المفاعل. في هذا النوع من المفاعلات، يُحدث تغير معدل التفاعل تدرجًا بالنسبة للمسافة المقطوعة؛ فعند مدخل المفاعل يكون المعدل مرتفعًا جدًا، ولكن مع انخفاض تركيز الكواشف وزيادة تركيز الناتج (النواتج)، يتباطأ معدل التفاعل. من أهم جوانب مفاعل التدفق الأنبوبي:

• يفترض نموذج PFR المثالي عدم وجود خلط محوري: أي عنصر من السوائل التي تمر عبر المفاعل لا يختلط مع السوائل في اتجاه المنبع أو اتجاه المصب منه، كما هو موضح في مصطلح " التدفق المكبسي ".
• يمكن إدخال الكواشف إلى مفاعل التدفق الأنبوبي في مواقع أخرى غير المدخل. وبهذه الطريقة، يمكن الحصول على كفاءة أعلى، أو تقليل حجم وتكلفة مفاعل التدفق الأنبوبي.
• يتمتع مفاعل التدفق الأنبوبي (PFR) بكفاءة نظرية أعلى من مفاعل الخلط المستمر ذي الحجم نفسه. بمعنى آخر، عند ثبات زمن التفاعل (أو زمن الإقامة)، يصل التفاعل إلى نسبة اكتمال أعلى في مفاعل التدفق الأنبوبي مقارنةً بمفاعل الخلط المستمر. لكن هذا لا ينطبق دائمًا على التفاعلات العكوسة.

في معظم التفاعلات الكيميائية ذات الأهمية الصناعية، يستحيل أن يكتمل التفاعل بنسبة 100%. يتناقص معدل التفاعل مع استهلاك المواد المتفاعلة حتى يصل النظام إلى حالة التوازن الديناميكي (حيث لا يحدث تفاعل صافٍ، أو تغيير في الأنواع الكيميائية). وتكون نقطة التوازن في معظم الأنظمة أقل من 100% اكتمالًا. لهذا السبب، غالبًا ما تُتبع عملية فصل، مثل التقطير ، بالمفاعل الكيميائي لفصل أي مواد متفاعلة أو نواتج ثانوية متبقية عن المنتج المطلوب. ويمكن أحيانًا إعادة استخدام هذه المواد المتفاعلة في بداية العملية، كما هو الحال في عملية هابر . في بعض الحالات، قد يكون من الضروري استخدام مفاعلات كبيرة جدًا للوصول إلى حالة التوازن، وقد يختار المهندسون الكيميائيون فصل الخليط المتفاعل جزئيًا وإعادة تدوير المواد المتفاعلة المتبقية.

في ظل ظروف التدفق الصفائحي ، يكون افتراض التدفق المكبسي غير دقيق إلى حد كبير، إذ يتحرك السائل عبر مركز الأنبوب بسرعة أكبر بكثير من السائل عند الجدار. يحقق المفاعل ذو الحواجز المتذبذبة المستمرة (COBR) خلطًا تامًا من خلال الجمع بين تذبذب السائل وحواجز الفتحات، مما يسمح بتقريب التدفق المكبسي في ظل ظروف التدفق الصفائحي .

يُشغَّل المفاعل شبه الدفعي بمدخلات ومخرجات مستمرة ودفعية. فعلى سبيل المثال، يُحمَّل المخمر بدفعة من الوسط والميكروبات التي تُنتج باستمرار ثاني أكسيد الكربون الذي يجب إزالته بشكل متواصل. وبالمثل، عادةً ما يكون تفاعل الغاز مع السائل صعبًا، لأنه يتطلب حجمًا كبيرًا من الغاز للتفاعل مع كتلة مساوية من السائل. وللتغلب على هذه المشكلة، يمكن تمرير تيار مستمر من الغاز عبر دفعة من السائل. وبشكل عام، في التشغيل شبه الدفعي، يُحمَّل متفاعل كيميائي واحد في المفاعل، ويُضاف متفاعل كيميائي ثانٍ ببطء (على سبيل المثال، لمنع التفاعلات الجانبية )، أو يُزال ناتج ناتج عن تغير في الحالة بشكل متواصل، مثل الغاز المتكون من التفاعل، أو مادة صلبة تترسب، أو منتج كاره للماء يتكون في محلول مائي.

على الرغم من أن المفاعلات التحفيزية تُستخدم غالبًا كمفاعلات تدفق أنبوبي، إلا أن تحليلها يتطلب معالجة أكثر تعقيدًا. يتناسب معدل التفاعل التحفيزي طرديًا مع كمية المحفز التي تتلامس معها المواد المتفاعلة، بالإضافة إلى تركيز هذه المواد. في حالة استخدام محفز ذي طور صلب ومواد متفاعلة ذات طور سائل، يتناسب هذا المعدل طرديًا مع المساحة المعرضة، وكفاءة انتشار المواد المتفاعلة إلى الداخل والمنتجات إلى الخارج، وكفاءة المزج. لا يمكن عادةً افتراض المزج المثالي. علاوة على ذلك، غالبًا ما يحدث مسار التفاعل التحفيزي على مراحل متعددة مع وجود وسائط مرتبطة كيميائيًا بالمحفز؛ وبما أن الارتباط الكيميائي بالمحفز هو أيضًا تفاعل كيميائي، فقد يؤثر على حركية التفاعل. غالبًا ما تُظهر التفاعلات التحفيزية ما يُسمى بالحركية الزائفة ، عندما تختلف الحركية الظاهرية عن الحركية الكيميائية الفعلية بسبب تأثيرات النقل الفيزيائي.

يُعد سلوك العامل الحفاز أحد الاعتبارات المهمة أيضاً. ففي عمليات البتروكيماويات ذات درجات الحرارة العالية على وجه الخصوص، يتم تعطيل العوامل الحفازة بفعل عمليات مثل التلبيد والتكويك والتسمم .

من الأمثلة الشائعة على المفاعلات التحفيزية المحول التحفيزي الذي يعالج المكونات السامة في عوادم السيارات. مع ذلك، فإن معظم مفاعلات البتروكيماويات تحفيزية، وهي المسؤولة عن معظم الإنتاج الكيميائي الصناعي، ومن الأمثلة ذات الأحجام الضخمة للغاية حمض الكبريتيك ، والأمونيا ، ومُعاد تشكيلها/ مركبات BTEX (البنزين، والتولوين، والإيثيل بنزين، والزيلين)، والتكسير التحفيزي السائل . توجد تكوينات مختلفة ممكنة، انظر المفاعل التحفيزي غير المتجانس .