Kemiallinen reaktori

Wikipedia
Loikkaa: valikkoon, hakuun

Reaktori on laite tai astia, jossa ajetaan kemiallista reaktiota.

Reaktoreja on kahta perustyyppiä: panos-, ja virtausreaktoreja, sekä näiden välimuoto puolipanosreaktori. Panosreaktoriin syötetään panos lähtöaineita ja annetaan reagoida, mikä on yksinkertaisin tapa ajaa reaktio ja helpoin käyttää pienissä erissä. Panosreaktorissa on tavallisesti sekoitus. Virtausreaktoriin syötetään koko ajan lähtöainetta ja vastaavasti poistetaan tuotetta. Virtausreaktorin toimintaa ei tarvitse keskeyttää täyttöä tai tyhjennystä varten, joten se on käytännöllisempi suuriin eriin, joilla on keskeytyksetön kysyntä. Puolipanosreaktori on panosreaktori, jossa jotain lähtöainetta syötetään reaktion kuluessa. Puolipanosreaktori on tarpeellinen esimerkiksi silloin, kun suurta määrää kaasua ajetaan reaktoriin, ja suurin osa siitä ehtii kuplia pois reagoimatta.

Reaktoreja mallinnetaan tavallisesti jollain seuraavista malleista:

  • Panosreaktori, jossa oletetaan täydellinen sekoitus. Konsentraatioyhtälö on aikakeskeinen, eli konsentraatio muuttuu ajan funktiona.
  • Sekoitusreaktori eli puolipanosreaktori, CSTR (engl. continuous stirred tank reactor) on jatkuvasti sekoitettu tankki, johon lisätään lähtöainetta ja poistetaan reaktioseosta. CSTR:lle oletetaan täydellinen sekoitus, joten ulos otettu reaktorin tuote oletetaan samaksi kuin reaktorin sisällä oleva seos. Reaktio ei siis pääse koskaan loppuun asti CSTR:ssä.
  • Putkireaktori, PFR (engl. plug flow reactor, tulppavirtausreaktori) on putki tai putkipakka, jossa oletetaan, ettei reaktioseos pääse virtaamaan taaksepäin. Laskennallisesti PFR on kuin ketju infinitesimaalisen pieniä CST-reaktoreita peräkkäin. Konsentraatioyhtälö on paikkakeskeinen, eli konsentraatio muuttuu sitä mukaa, mitä pitemmälle reaktioseos etenee matkallisesti reaktorissa.

Putki- ja panosreaktorien dynamiikassa voidaan käyttää samoja yhtälöitä, kunhan konsentraatioyhtälön integrointimuuttujana käytetään putkireaktorissa paikkaa ja panosreaktorissa aikaa.

Mikään todellinen virtausreaktori ei ole ideaalinen CSTR tai PFR. Epäideaalisuutta voi karakterisoida viipymisaikajakaumalla, joka on äärimmäisen lyhyen ainepulssin poistumisen funktio ajan suhteen. Ideaali-CSTR:n viipymisaikajakauma on eksponentiaalisesti häviävä: ensin pulssi sekoittuu välittömästi ja täysin, minkä jälkeen se poistuu vähitellen. Ideaali-PFR:ssä pulssi tulee viipymäajan verran viiveellä, mutta täsmälleen samanlaisena ulos. Todellisissa reaktoreissa on sekä viivettä, konsentraation kasvua (sekoittuminen ei ole välitöntä vaan kestää äärellisen ajan) että eksponentiaalista häviämistä.

Edelleen, katalyyttiset reaktorit vaativat omat mallinsa, koska reaktio etenee katalyytin pinnalla eikä täydellistä sekoitusta voida olettaa. Reaktionopeus ei riipu suoraan itse massan pääosan vaan ainoastaan pinnan konsentraatioista. Katalyysireaktiot kulkevat yleensä niin, että jotkin lähtöaineet kiinnittyvät pinnalle aktiiviseksi muodoksi, joka reagoi, ei itse lähtöaine, ja tämän aktiivisen muodon pintakonsentraatio määrää reaktionopeuden. Toinen rajoittava tekijä on diffuusio: tuote, lähtöaine tai molemmat diffundoituvat katalyytin pinnalle ja sieltä pois, mikä riippuu virtausnopeudesta, katalyyttipalojen muodosta, yms. sekalaisista tekijöistä. Edelleen, monet katalyytit huononevat ajan kuluessa, mikä edelleen monimutkaistaa mallia.

Elintarviketeollisuuden, metallurgian, biokemian (fermentorit) ja lasiteollisuuden reaktorit ovat lähes täysin panosreaktoreita. Petrokemian ja vesikemian reaktorit puolestaan ovat lähes täysin putkireaktoreita. Laboratorioissa ja pilot planteissa käytetään yleensä panosreaktoreita. Sekoitusreaktoreita käytetään silloin, mikäli raaka-aineet eivät sovellu putkireaktoriin tai vaativat mekaanista sekoittamista, kuten maaliteollisuudessa tai jätevedenpuhdistamoissa.