پاورپوینت تجهیزات صنایع شیمیایی

بخشی از پاورپوینت

اسلاید 2 :

تجهیزات صنایع شیمیایی

هدف کلی درس : آشنایی با ساختار کلی، اجزای سازنده و عملکرد برخی تجهیزات رایج در صنایع شیمیایی و یا به دست آوردن تجربه عملی در مواجهه با آن ها

اسلاید 3 :

فهرست مطالب
رآکتورهای شیمیایی
بلورساز (کریستالیزور)ها
دستگاه های دانه بندی
خشک کن ها
برج های جداسازی (تقطیر، جذب و استخراج)
سنگ شکن ها، خرد کن ها و آسیاب ها
دیگ های بخار
صافی های صنعتی و سانتریفیوژ ها
مبدل های حرارتی
سامانه های رطوب زنی هوا و دستگاه های هواساز

اسلاید 4 :

رآکتورهای شیمیایی

راکتور شیمیایی یا واکنشگاه شیمیایی وسیلهای است که در آن واکنشهای شیمیایی انجام میشود و طی آن مواد اولیه خام به محصولات تبدیل میشوند.

طراحی و بهرهبرداری از رآکتورهای شیمیایی از جمله مهمترین وظایف متخصصین صنایع شیمیایی از جمله مهندسین شیمی است. طراحی رآکتور شیمیایی نیازمند شناخت درست از واکنش شیمیایی انجام گرفته در رآکتور است و برای این منظور تسلط بر علومی چون ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک شیمیایی و ریاضیات ضروری است.
راکتور شیمیایی یکی از بخش های اصلی و اساسی هر واحد صنعتی شیمیایی است که در این دستگاه واکنش یا واکنش های شیمیایی مختلفی مانند ترکیب شدن، تجزیه شدن و یا تبدیل جهت تولید محصول مورد نظر انجام می گیرد.

در داخل راکتورهای شیمیایی واحد، یک یا چندین واکنش خواسته و یا ناخواسته بر روی مواد خام صورت می گیرد تا محصول اصلی بوجود آید. هر چند در شرایط واقعی محصول یا محصولات جانبی به عنوان خروجی های هر راکتور شیمیایی جزء جدایی ناپذیر این تجهیز فرایندی است که در این گونه موارد عملیات تخلیص و جداسازی های فیزیکی و شیمیایی به کمک تجهیزاتی مانند برج های جداسازی در مراحل بعدی راکتور در واحد شیمیایی انجام می گیرد تا محصول قابل عرضه در بازار، حاصل گردد.

اسلاید 5 :

در طراحی رآکتورها پارامترهای زیادی از جمله:زمان اقامت، حجم(V)، دما(T)، فشار(P)، غلظت گونههای شیمیایی (C۱,C۲,C۳,. ,Cn)، ضریب انتقال حرارت (U, h)، سرعت واکنش (r) و . ، دخالت دارند. رآکتورهای شیمیایی بر اساس نوع واکنش و موارد کاربرد در اشکال مختلف و با جزئیات خاص طراحی میشوند که پیچیدگی آنها را زیاد میکند. اما میتوان رآکتورها را در چند دسته بزرگ و کلی از جمله رآکتورهای پیوسته و ناپیوسته، رآکتورها سیال بستر یا ثابت بستر، رآکتورهای لولهای و مخزنی یا رآکتورهای همگن و ناهمگن، طبقهبندی کرد. رفتار رآکتورها معمولاً با معادلاتی موسوم به معادله رآکتور مطرح میشود که برای گونههای مختلف رآکتور متفاوت بوده و رابطه ریاضیاتی بین پارامترهای مؤثر در رآکتور را بیان میکند.

اسلاید 6 :

انواع رآکتورهای شیمیایی

تقسیم بندی های گوناگونی برای راکتور های شیمیایی بر اساس شاخص های متفاوتی صورت گرفته است.

1- راکتورهای تک فازی
2- راکتورهای چند فازی

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود.

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود.

شاخص نوع و تعداد فازها
شاخص نحوه کار
رآکتورهای ناپیوسته (Batch Reactors)
رآکتورهای نیمه پیوسته (Semi-batch Flow Reactors)
رآکتورهای پیوسته(Continuous/Steady state flow reactor)

شاخص تعداد واکنش

1- رآکتورهای منفرد کامل
2- رآکتورهای سری و موازی

شاخص حالت واکنش دهنده ها

1- واکنش های سیال- سیال
2- واکنش های سیال- جامد

شاخص شکل رآکتور

1- رآکتورهای لوله ای
2-رآکتورهای مخزنی

شاخص نوع بستر

1- رآکتورهای بستر سیال
2- رآکتورهای بستر ثابت

اسلاید 7 :

رآکتور ناپیوسته

در راکتور هایی که حین انجام واکنش، ماده ای به راکتور وارد نشده و از آن نیز خارج  نمی شود، سیستم ناپیوسته نامیده می شود. به عبارتی دیگر، در این نوع از راکتور شیمیایی، ابتدا مواد اولیه وارد راکتور می شود و پس از انجام واکنش در زمان مشخص، محصول یا محصولات و موادی که واکنش نداده اند از راکتور خارج می شوند. پس از تخلیه محصولات از راکتور راکتور جهت انجام واکنش دوره های بعدی پاکسازی و مهیا می شود.

راکتورهای ناپیوسته نسبت به انواع دیگر راکتورها نیاز به سیستم های کنترلی کمتری دارند و ساختار ساده تری نیز دارند. مصرف این نوع از راکتورها در مواردی است که انجام واکنش مورد نظر به مدت زمان نسبتا طولانی نیاز دارند تا واکنش گر ها فرصت انجام واکنش را در یک راکتور ناپیوسته داشته باشند.

اسلاید 8 :

این رآکتورها به طور معمول مجهز به موتور و همزن می باشند. شکل همزن بسته به نوع سیال و گرانروی آن متفاوت است. قطر پره همزن بسته به نوع آن معمولا 1/3تا ½ قطر رآکتور است. این رآکتورها غالبا دو جداره می باشند. به جداره خارجی این رآکتورها که در آن بسته به گرمازا یا گرماگیر بودن واکنش سیال سرد یا گرم عبور داده می شود ژاکت حرارتی گویند. سیالی که در داخل یک سیکل بسته جریان دارد و فضای داخل ژاکت را پر می کند می تواند آب سرد (جهت سرمایش) یا بخار آب (جهت گرمایش) یا روغن (برای هر دو منظور) باشد. معمولا تعداد 4 تیغه عمودی در جداره داخلی رآکتور نصب می شود. این تیغه ها بافل نام دارند و باعث می شوند به هنگام چرخش پره های همزن در مقابل حرکت دورانی سیال مانع ایجاد شده، آشفتگی شدیدی به وجود آمد، اختلاط به نحو مطلوب انجام شود. ارتفاع بافل باید به گونه ای باشد که از سطح مایع (که معمولا 2/3 حجم رآکتور را پر می کند) بالاتر باشد.

رآکتور ناپیوسته

اسلاید 9 :

رآکتور پیوسته

اسلاید 10 :

رآکتور نیمه پیوسته

اسلاید 11 :

واکنش های منفرد کامل و واکنش های سری موازی

تمام واکنش های چند گانه را می توان ترکیبی از دو نوع واکنش اولیه یعنی واکنش های موازی و واکنش های پشت سر هم تصور نمود. بدلیل آنکه این واکنش ها ی اولیه سنگ بنای واکنش های پیچیده تری که سری موازی نامیده می شود هستند.

اسلاید 12 :

روش های اختلاط ترکیب شوندگان به طور مداوم و غیر مداوم برای آنکه غلظت های متفاوتی از آن ها حاصل گردد.

شکل های 1 و 2 رو شهای تماس دو سیال ترکیب شونده را در حالت های مداوم و غیر مداوم وقتی غلظت هر دو زیاد و یا کم باشد و نیز وقتی غلظت یکی کم و دیگری زیاد تر است نشان می دهد. به طور کلی قبل از آنکه بتوان بهترین نحوه تماس سیال ها را تعیین نمود. بایستی تعداد سیال ها، امکان جریان برگشتی و بهای روش های مختلف عمل مورد مطالعه قرار گیرد. به هر حال استفاده از روش صحیح تماس عامل بسیار مهم در بدست آوردن توزیع مطلوب محصولات حاصل از این واکنش های چند گانه است.

اسلاید 13 :

واکنش های سیال- سیال

اگر تمام مواد اولیه به صورت مایع و یا گاز باشند (سیال) مشکلی از نظر اختلاط آن ها نخواهیم داشت مگر اینکه در قسمت هایی از رآکتور یک یا تعدادی از اجزا به صورت گردابه به دام بیافتد که این قسمت ها از روند یکنواخت واکنش پیروی نمی کنند و امکان سوختن این مواد، فساد آن ها و . وجود دارد.

این موضوع در scale up (افزایش مقیاس) دستگاه ها از حالت آزمایشگاهی به صنعتی ما را دچار مشکل م یکند چون در این حالت ها میزان این انحرافات از حالت ایده آل متفاوت است.

اسلاید 14 :

واکنش های سیال- جامد

اگر یکی از اجزای واکنش جامد باشد موضوع فرق خواهد کرد. مواد جامد تنها از طریق سطح خود وارد واکنش می شودند و بسته به ابعاد ذره و شکل آن ها میزان پیشرفت واکنش متفاوت خواهد بود. این واکنش ها از نظر صنعتی مهم هستند.

مانند:

برشته کردن ( اکسیداسیون ) سنگ های معدن سولفوره به منظور تهیه اکسید فلز
تهیه فلزات از اکسیدهای به وسیله واکنش احیا
ازته کردن کاربیت کلسیم به منظور تهیه سیانامید
تهیه سطح محافظ برای فلزات مانند آب دادن آن ها
تهیه سولفور کربن
تهیه سیانور سیدم از آمید سدیم
تهیه تیوسولفات سدیم از گوگرد و سولفیت سیدم
..

اسلاید 15 :

واکنش هایی که با دخالت کاتالیزر جامد انجام می گیرند.

سرعت بسیاری از واکنش ها به توسط موادی که جزء ترکیب شوندگان و یا محصولات واکنش محصوب نمی شوند تحت تاثیر قرار می گیرد. این مواد که به کاتالیزر موسوم می باشند ممکنست سبب کاهش سرعت واکنشی شوند که در اینصورت کاتالیزر منفی تلقی خواهند گردید. و یا برعکس ممکنست افزایش سرعت واکنشی را موجب شوند که در آنصورت کاتالیزر مثبت نامیده خواهند شد. کاتالیزرها بشکل جامد و یا سیال می باشند.

اسلاید 16 :

پارامترهای مهم در توصیف عملکرد رآکتور

غلظت راکتور:

هنگامی که بیش از یک ماده واکنش دهنده وجود داشته باشد، اغلب استفاده از مقدار بیش از نیاز یکی از واکنش دهنده ها نتیجه مطلوبی بدست خواهد داد. گاهی اوقات مناسب است که یک ماده خنثی همراه با خوراک به راکتور تغذیه شود و یا قبل از پیشرفت کامل واکنش، محصول تولیدی خارج شود. بعضی اوقات نیز استفاده از یک مسیر برگشتی از فراورده های جانبی ناخواسته به راکتور مطلوب است. در مورد واکنش های برگشت ناپذیر اگر یکی از ترکیبات ورودی بیش تر از مقدار مورد نیاز به واکنش وارد شود، می تواند ماده دیگر را به سمت کامل کردن سوق دهد.

به عنوان مثال، واکنش بین اتیلن و کلر برای تولید دی کلرواتان را در نظر بگیرید. اگر از یک مقدار اتیلن اضافی جهت حصول اطمینان از تبدیل کامل ماده کلر استفاده شود مشکل حضور کلر در سیستم جداسازی بعدی از بین می رود. معمولاً در یک واکنش اگر یکی از اجزاء خطرناک تر باشد (مانند کلر در این مثال) باید از کامل شدن آن مطمئن شویم.اگر واکنش برگشت پذیر باشد هدف افزایش درصد تبدیل تعادلی می باشد. اگر یکی از خوراک ها را به مقدار اضافی وارد کنیم می توانیم درصد تبدیل تعادلی را افزایش دهیم. گاهی اوقات با حذف مداوم محصول یا یکی از محصولات از راکتوری که واکنش در آن در حال پیشرفت است، می توان درصد تبدیل تعادلی را افزایش داد. مثلا به وسیله تبخیر کردن ماده ای از راکتور فاز مایع. یک راه دیگر این است که واکنش در مراحل پشت سر هم همراه با جداسازی محصولات در مراحل میانی صورت گیرد.

دمای راکتور:
انتخاب دمای راکتور باید به گونه ای باشد که سبب افزایش سرعت واکنش گردد. به طور عملی محدودیت هایی از قبیل ملاحظات ایمنی، محدودیت های جنس ساختمان راکتور و یا حداکثر دمای عملکرد کاتالیست در انتخاب دمای راکتور وجود دارد،

برحسب نوع واکنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود. در واکنشهای گرماگیر، افزایش دما سبب افزایش درصد تبدیل می شود . همچنین دمای بالا، سرعت واکنش را زیاد و حجم راکتور را کم می کند. در واکنش های گرمازای برگشت ناپذیر تا آنجا که ممکن است، با توجه به ساختمان مواد، عمر کاتالیست و مسائل ایمنی، باید درجه حرارت را پایین در نظر گرفت. در این صورت حجم راکتور حداقل خواهد شد. چنانچه واکنشی گرمازا و برگشت پذیر باشد، عملکرد در دمای پایین حداکثر مقدار درصد تبدیل را افزایش می دهد. لیکن عملکرد در دمای پایین سرعت واکنش را کاهش می دهد و در نتیجه باعث افزایش حجم راکتور خواهد شد. بنابراین در ابتدای واکنش یعنی هنگامی که از حالت تعادل دور هستیم؛ استفاده از درجه حرارت بالا به منظور افزایش سرعت واکنش برتری دارد. اما همانطور که با گذشت زمان به حالت تعادل نزدیک می شویم، برای افزایش مقدار حداکثر درصد تبدیل باید درجه حرارت را پایین آورد. لذا برای واکنش های برگشت پذیر گرمازا، همانطور که درصد تبدیل زیاد می شود، درجه حرارت ایده آل به طور مداوم کاهش می یابد.

درصد تبدیل Conversion:

نسبت مقدار مواد واکنش دهنده مصرفی در راکتور به مقدار مواد واکنش دهنده ای به راکتور تغذیه می باشد. اگر واکنش برگشت پذیر باشد، حداکثر درصد تبدیلی که به آن می توان رسید درصد تبدیل تعادلی نامیده می شود.

انتخاب پذیری Selectivity:

نسبت مقدار محصول مطلوب تولید شده به مقدار مواد واکنش دهنده مصرفی در راکتور می باشد.

بازده راکتور Yield:

مقدار محصول مطلوب تولید شده به مقدار مواد واکنش دهنده ای که به راکتور تغذیه می شود
متغیرهای موثر بر عملکرد راکتورها

اسلاید 17 :

طراحی رآکتور

اسلاید 19 :

رآکتورهای پلیمریزاسیون

انجام فرایندهای مختلف پلیمریزاسیون در راکتورهای پلیمریزاسیون:تکنولوژی پلیمریزاسیون جرمی برای پلیمریزاسیونهای با رشد مرحله ای، مرسوم است، زیرا به واسطه کمی انرژی آزاد شده، جذب حرارت به سهولت انجام می پذیرد. به علت پایین بودن ویسکوزیته تا درجات تبدیل بالا، اختلاط نیز به نحو موثری قابل انجام است . حرارت آزاد شده قابل توجه و افزایش سریع ویسکوزیته در پلیمریزاسیون با رشد زنجیری، کارایی تکنولوژی جرمی را برای این نوع مکانیسم پلیمریزاسیون کاهش می دهد .زیرا بر خلاف حالت قبل، افزایش سریع ویسکوزیته و در نتیجه عدم امکان کنترل درجه حرارت، دستیابی به درجات تبدیل بالا را مقدور نمی سازد. محلول پلیمریزاسیون جرمی از درجه خلوص بالایی برخوردار بوده و عملیات تخلیص کمتری را می طلبد.

انجام پلیمریزاسیون در حضور یک حلال از مشکلات انتقال حرارت و اختلاط می کاهد. پلیمر و منومر در داخل حلال محلول هستند . علاوه بر این ویسکوزیته کمتر سبب بهبود اختلاط و کارایی شروع کننده می گردد. مهمترین نقطه ضعف این روش هزینه جداسازی حلال و بازیابی آن است .

ویسکوزیته سیستم پلیمریزاسیون تعلیقی در طول واکنش نسبتاً ثابت باقی مانده و عمدتاً به وسیله ویسکوزیته فاز مداوم(آب) تعیین می گردد. اغلب پلیمرها دارای دانسیته بیشتری نسبت به منومرهای خود هستند. به این جهت در پلیمریزاسیون تعلیقی سیستم اختلاط باید به گونه ای انتخاب گردد که در ابتدا منومرهای از سطح به زیر کشیده شده و در داخل فاز آبی پراکنده شوند و در انتها از ته نشینی ذرات جامد پلیمری جلوگیری به عمل آورده و آنها را به طور یکنواخت در داخل فاز پیوسته پراکنده سازد. فاز پیوسته به عنوان عامل انتقال حرارت عمل نموده و در نتیجه کنترل درجه حرارت در این فرایند ساده تر از نوع جرمی است. چسبندگی و رسوب پلیمر نیز به مراتب کمتر از فرایند جرمی مشاهده می شود.

پلیمریزاسیون تعلیقی به عنوان مرحله دوم فرایند جرمی نیز قابلیت کاربرد دارد(مانند فرایند تولید پلی استیرن مقاوم). زیرا معمولاً ادامه پلیمریزاسیون تا رسیدن به درجه تبدیل نهایی توسط فرایند تعلیقی انجام می گیرد. پس از پایان پلیمریزاسیون، دانه های پلیمری از طریق سانتریفوژ جدا و خشک می گردند. اختلاط در پلیمریزاسیون امولسیونی نسبت به پلیمر یزاسیون تعلیقی از اهمیت کمتری برخوردار است و عمدتاً جهت تسهیل انتقال حرارت طراحی می شود . کاربرد زیاذ امولسیفایر در پلیمریزاسیون امولسیونی، جداسازی آن را در پایان واکنش دشوار می سازد . به همین سبب معمولاً از فرایندهای امولسیونی در جایی استفاده می شود که در شکل نهایی مصرف به صورت لاتکس یا امولسیون باشد(مانند امولسیون نهایی اکریلیک). در صورت لزوم استفاده از پلیمر خالص، محلول پلیمریزاسیون ابتدا منعقد و سپس دانه های پلیمر به کمک فیلتر جدا و خشک می گردد.

اسلاید 20 :

بررسی مشکلات فرایند پلیمریزاسیون:

مشکلات تولید صنعتی پلیمرها با تولید ترکیبات آلی با وزن ملکولی کم بسیار متفاوت است. در اینجا برخی از مهمترین ویژگی های واکنش های پلیمریزاسیون مورد بحث قرار می گیرند. افزایش ویسکوزیته یکی از مهمترین مشکلات واکنش های پلیمریزاسیون، افزایش شدید ویسکوزیته با پیشرفت واکنش است .در حقیقت بخش عمده مشکلات در مهندسی فرایند های پلیمریزاسیون بازتابی از افزایش ویسکوزیته است و علم نوبنیاد مهندسی واکنش های پلیمریزاسیون نیز چیزی جز چگونگی خنثی نمودن اثر افزایش ویسکوزیته در چارچوب مهندسی شیمی نیست. در پلیمریزاسیون زنجیری به محض شروع واکنش، پلیمرهای با وزن ملکولی بالا تولید می شود . تغییرات وزن ملکولی با درجه تبدیل نسبتاً کم است.

از این رو افزایش ویسکوزیته به واسطه افزایش میزان پلیمر در مخلوط واکنش صورت می گیرد. در پلیمریزاسیون مرحله ای تنها الیگومرها تا درجات تبدیل بالا وجود دارند و تنها بعد از آن وزن مولکولی پلیمر به طور ناگهانی و به شدت افزایش می یابد . ویسکوزیته محلول در حال واکنش نیز تا مراحل پایانی واکنش نسبتاً کم است و سپس به طور ناگهانی افزایش می یابد. بنابراین عامل افزایش ویسکوزیته تا مراحل پایانی واکنش، میزان پلیمر در مخلوط واکنش است. در حالیکه در مراحل پایانی افزایش درجه پلیمریزاسیون یا به عبارت دیگر وزن ملکولی پلیمر سبب افزایش ویسکوزیته می شود که اثرات آن به مراتب شدیدتر است. افزایش ویسکوزیته در سیستم های همگن به مراتب شدیدتر از ناهمگن است .

افزایش ویسکوزیته در پلیمریزاسیونهای جرمی و محلول تا106برابر نیز تخمین زده می شود. در حالیکه در پلیمریزاسیون امولسیونی که به واسطه امولسیفایرهایی با وزن ملکولی کم تثبیت م یشود، ویسکوزیته به طور متوسط تا 103 برابر افزایش نشان می دهد. افزایش ویسکوزیته در پلیمریزاسیون تعلیقی مشهود نیست و ویسکوزیته آن به وسیله فاز آب دیکته می شود.از مهمترین اثرات افزایش ویسکوزیته کاهش ضریب نفوذ ملکولی و ضریب انتقال جرم است. کاهش ضریب نفوذ ملکولی باعث کاهش تحرک ماکرورادیکال های در حال واکنش شده و در نتیجه از وقوع واکنش پایان جلوگیری به عمل می آورد که این امر پدیده اثر ژل را به دنبال دارد . بروز اثر ژل باعث افزایش ناگهانی و شدید سرعت واکنش می گردد. به موازات افزایش سرعت واکنش،از یک طرف شدت آزادسازی حرارت آهنگ صعودی پیدا می کند و از طرف دیگر توان مکانیکی همزن افزایش می یابد .در نتیجه کاهش توان سرمایشی راکتور کاهش می یابد.

این موضوع منجر به بروز مشکلاتی در کنترل و پایداری راکتور پلیمریزاسیون می گردد. در ناحیه ای که تولید ژل زیاد می شود، انرژی آزاد شده به اندازه ای است که حالت انفجاری به سیستم می دهد. در بسیاری از واحدهای صنعتی وقایع مصیبت باری به واسطه خارج شدن کنترل واکنش پلیمریزاسیون به دلیل عدم موفقیت در جذب حرارت آزاد شده گزارش شده است . به همین دلیل طراحی دقیق راکتور و سیستم کنترل آن در فرایندهای پلیمریزاسیون از اهمیت خاص برخوردار است. حرارت زایی بسیاری از واکنش های پلیمریزاسیون با پیشرفت واکنش مقدار قابل توجهی انرژی از خود آزاد می کنند .

علاوه بر این، انرژی مکانیکی لازم برای اختلاط نیز در ویسکوزیته بالا تبدیل به انرژی گرمایی می شود . جذب انرژی آزاد شده در پلیمریزاسیونهای با درجه خلوص بالا به واسطه افزایش ویسکوزیته ، چسبندگی پلیمر به سطوح انتقال حرارت و تغییرات فاز در طی واکنش، از مهمترین دشواری های مهندسی واکنش های پلیمریزاسیون است. طراحی راکتور واکنشهای پلیمریزاسیون به میزان قابل توجهی انرژی آزاد می کنند. در واکنشهای مواد با وزن مولکولی کم بالاترین شدت حرارت در ابتدای واکنش که در آن غلظت مواد واکنش کننده حداکثر است رخ می دهد . در حالیکه در واکنشهای پلیمریزاسیون به ویژه نوع جرمی آن به علت وقو ع اثر ژل و افرایش ناگهانی سرعت واکنش نقطه اوج آزادسازی حرارت در اواسط واکنش رخ می دهد.