Kemiallinen reaktori
Wikipedia
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.
- Sekoitusreaktori, CSTR (engl. continuously 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.
Putki- ja panosreaktorien dynamiikassa voidaan käyttää samoja yhtälöitä, kunhan konsentraatioyhtälön integrointimuuttujana käytetään putkireaktorissa paikkaa ja panosreaktorissa aikaa.
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 huonenevat ajan kuluessa, mikä edelleen monimutkaistaa mallia.
Elintarviketeollisuuden, biokemian (fermentorit) ja lasiteollisuuden reaktorit ovat lähes täysin panosreaktoreita. Petrokemian ja metallurgian 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.
