Reactoare chimice

Reactoare chimice

Pentru studiul cantitativ al evolutiei temporale a reactiilor chimice este necesara delimitarea unui spatiu finit, in care se urmareste transformarea chimica. Acest spatiu este numit reactor chimic si poate lua forme diverse, de la o eprubeta, la o structura complexa cum ar fi o celula vie sau un reactor industrial. Viteza transformarii chimice este puternic dependenta de constructia reactorului si de regimul de functionare al acestuia. Avand in vedere marea varietate a reactoarelor chimice, este necesara o clasificare a acestora pe baza unor criterii practice. Cele mai frecvente criterii se refera la: schimbul de masa dintre reactor (sistem) si mediu, regimul de temperatura, comportarea volumului ocupat de amestecul reactant, numarul de faze implicate in transformarile chimice.

Din punctul de vedere al schimbului de masa cu mediul, reactoarele chimice pot functiona in regim discontinuu sau in regim continuu.

Un reactor care functioneaza in regim discontinuu este reprezentat schematic in figura alaturata. Functionarea consta in operatia de alimentare (introducerea si amestecarea reactantilor), urmata de desfasurarea reactiei, cand se urmareste evolutia compozitiei sistemului prin masurare continua in reactor sau prin extragere de probe a caror compozitie se determina in afara reactorului. Compozitia sistemului variaza continuu in timp prin scaderea concentratiilor reactantilor si cresterea concentratiilor produsilor. Daca reactia are efecte termice semnificative si se doreste mentinerea sistemului in regim izoterm, reactorul este prevazut cu un agitator si cu un sistem de sicane care au rolul de a produce o cat mai mare turbulenta pentru intensificarea transferului de caldura. Exteriorul reactorului poate fi mentinut la temperatura constanta prin circularea unui fluid de termostatare utilizand un sistem de pereti dubli. Cand procesul chimic inceteaza, sau cand ajunge la o conversie convenabila, reactorul este golit si pregatit pentru o utilizare ulterioara. O astfel de functionare justifica denumirea de reactor discontinuu. Dupa cum se poate observa, in timpul desfasurarii procesului chimic, nu are loc un transfer de masa intre reactor si mediul exterior. Conform definitiei adoptate de termodinamica chimica, sistemul este inchis. Din aceste motive reactorul este numit uneori si reactor inchis. Modul de functionare, prin care o proba este introdusa in reactor, lasata sa reactioneze si apoi este evacuata, a condus la denumirea de reactor de tip sarja. Multe dintre reactoarele de laborator functioneaza in acest regim.

Reactoarele continue sau reactoarele in curgere continua presupun un schimb permanent de masa intre reactor si mediu. Ele sunt numite reactoare cu alimentare si evacuare continua.

Alimentarea se face de cele mai multe ori numai cu reactanti proaspeti, iar la iesirea din reactor se obtine un amestec de reactanti nereactionati si produsi. Aceste reactoare sunt utilizate cel mai frecvent in procesele industriale in care se pune frecvent si problema recircularii reactantilor netransformati.

Introducerea continua a reactantilor ridica problema amestecarii acestora cu restul fluidului din reactor. Din acest punct de vedere exista doua posibilitati extreme: amestecare foarte eficienta sau"instantanee" si lipsa "completa" a amestecarii.

Aceasta din urma se realizeaza cel mai usor prin curgerea laminara in lungul unui tub. Rezulta astfel doua tipuri extreme de reactoare in curgere: reactoare tubulare si reactoare cu amestecare perfecta.

Reactorul continuu tubular, mai este numit si reactor cu curgere de tip piston si reactor cu profil plan de viteze. In continuare vom adopta prima denumire. Sageata din stanga, care marcheaza alimentarea, poate sa fie reprezentata de o conducta cu un reactant sau de doua sau mai multe conducte cu mai multi reactanti. Profilul plan al vitezelor de curgere presupune o lipsa totala de amestecare in lungul reactorului si o amestecare perfecta in planul perpendicular pe directia de curgere. Compozitia sistemului variaza continuu in lungul reactorului. Concentratiile reactantilor scad, iar cele ale produsilor cresc.

Reactorul continuu cu amestecare (perfecta) presupune

amestecarea instantanee a reactantilor alimentati cu fluidul de

reactie si o compozitie uniforma in intreg spatiul ocupat de fluidul reactant si identica cu cea de la evacuare.

Din aceasta succinta prezentare se poate constata caracterul ideal al acestor reactoare. Reactoarele reale de laborator pot aproxima foarte bine caracteristicile definitorii ale acestor tipuri extreme.

a.           Din punctul de vedere al regimului termic, reactoarele chimice pot functiona in mai multe feluri

        regim izoterm, cu avantajul pastrarii constante a unuia dintre cei mai importanti parametri operationali. In aceste cazuri trebuie asigurat un schimb eficient de caldura prin termostatare si agitare;

        regim autoterm, cand reactorul ajunge la o temperatura constanta, care se stabileste ca urmare a compensarii caldurii de reactie cu caldura schimbata cu mediul exterior;

        regim adiabatic, cand reactorul este foarte bine izolat din punct de vedere termic, iar procesul are loc suficient de rapid pentru a se neglija transferul de caldura. Multe reactii rapide (cum ar fi de exemplu exploziile) au loc in regim cvasiadiabatic;

        regim termic programat, cand temperatura reactorului creste sau scade dupa o lege impusa din exterior (de obicei o lege liniara).

Dupa comportarea volumului ocupat de amestecul reactant, reactoarele pot functiona in regim de volum constant sau in regim de volum variabil. Cele mai multe reactoare functioneaza in regim de volum constant. In cazul sistemelor gazoase in care au loc reactii chimice cu variatia numarului de molecule, daca se mentine presiunea constanta, volumul sistemului variaza in reactoarele discontinue, sau debitul de evacuare variaza in reactoarele continue. Exista reactoare in care reactia chimica are loc in faza lichida al carei volum variaza prin adaosul unor componenti necesari pentru mentinerea constanta a unei proprietati (de exemplu pH-ul solutiei). In astfel de sisteme trebuie sa se tina seama de faptul ca variatia concentratiilor molare este datorata atat reactiei chimice cat si variatiei volumului.

b.           Dupa numarul de faze implicate in transformarile chimice, reactoarele pot contine sisteme omogene (gaze sau lichide) sau sisteme eterogene, cu doua sau mai multe faze

Transformarile chimice pot sa se produca intr-una sau in mai multe faze, sau la suprafata de separatie interfazica.

O reactie care are loc in faza gazoasa,

2H (g) + O (g) = 2H O(g),

sau una care are loc in solutie apoasa:

[CoCl (aq) + 6H O(l) = [Co(H O) (aq) + 4Cl (aq)

sunt exemple de transformari care au loc in sisteme omogene.

O reactie de descompunere a unui solid:

CaCO (s) = CaO(s) + CO (g),

are loc intr-un sistem eterogen solid/solid/gaz.

O reactie cu componenti gazosi catalizata de un catalizator solid, cum ar fi sinteza amoniacului,

N (g) + 3H (g) = 2NH (g)

are loc intr-un sistem eterogen gaz/solid, in care transformarea chimica se produce pe suprafata catalizatorului.

Un exemplu din laborator privind astfel de situatii este:

Intr-o eprubeta care contine carbonat de calciu se adauga o solutie de acid clorhidric. In urma reactiei chimice:

CaCO₃ + 2HCl = CaCl₂ + H₂O + CO₂

se degaja dioxid de carbon.

Carui tip de reactoare apartine acest sistem? Sistemul este aparent discontinuu. Cu toate acestea, un produs de reactie paraseste continuu sistemul. Din aceste motive astfel de sisteme sunt numite reactoare semicontinue.