Kimyasal reaktörler bir kimyasal reaksiyonun gerçekleştirildiği proses ekipmanlarıdır.Kimya mühendisliğinde proses tasarımı ve analizinde sık kullanılan klasik bir ünite prosesidir. Bir kimyasal reaktörün tasarımı, kimya mühendisliğinin birden fazla unsurunun kullanılmasını gerektirir. Reaktörler proseste ham maddelerin ürünlere dönüştüğü oldukça temel bir ekipman olduğundan proses tasarımı açısından büyük önem arz eder.Kimya mühendisleri bir reaksiyonun net bugünkü değerini en üst düzeye çıkarmak için reaktörler tasarlar. Tasarımcılar satın alma ve işletme maliyetini en düşük seviyelerde tutarken bir yandan da üretilen ürün miktarını en yüksek seviyede tutmak için reaksiyonun ürünler yönünde mümkün olan en yüksek devamlılığını sağlarlar. Enerji girişi, enerji çıkışı, ham madde maliyetleri, işçilik vb. işletme giderlerine örnek olarak verilebilir. Isıtma, soğutma, basıncı artırmak için pompalama, sürtünmeden kaynaklı basınç düşüşü ve çöktürme gibi durumlar da enerji değişimlerine birer örnektir.
Kimyasal reaktörlerin tasarımı ve reaksiyon kinetiğinin incelenmesi, üretim süreçleri için önemli bir konudur. Kimyasal reaksiyon mühendisliği, kimyasal reaktörlerin tasarımı ve özellikle de kimyasal kinetiğin endüstriyel sistemlere uygulanmasıyla ilgilenen bir kimya mühendisliği dalıdır.
Genel bakış
En sık kullanılan temel kimyasal reaktör çeşitleri tank ve boru ( ve ) tipi reaktörlerdir.
İki çeşit de hem sürekli hem de kesikli reaktör olarak kullanılabilir ve bir veya birden fazla katı madde içerebilir (reaktanlar, katalizörler veya diğer inert maddeler). Ancak reaktanlar ve ürünler büyük çoğunlukla sıvı veya gaz hâldeki akışkanlardır. Sürekli proseslerde reaktörler genellikle çalıştırılırken, kesikli proseslerde çalıştırılmalıdırlar. Bir reaktör ilk kez çalıştırılacağı veya kapatılacağı zaman geçiş halindedir ve ana proses değişkenleri zamanla değişir.
Çeşitli kimyasal reaktörlerin en önemli proses değişkenlerinin tahmin edilebilmesi için kullanılan üç idealleştirilmiş temel model vardır:
- ,
- (CSTR),
- (PFR).
Pek çok reaktör bu üç temel reaktör çeşidinin farklı tasarımları veya bir arada kullanımı ile modellenebilir.
Ana proses değişkenleri şunlardır:
- (τ, Yunanca küçük tau harfi)
- Hacim (V)
- Sıcaklık (T)
- Basınç (P)
- Kimyasal maddelerin derişimleri (C1, C2, C3, ... Cn)
- Isı iletim katsayıları (h, U)
Borusal reaktörler (örneğin piston akışlı reaktör) sıklıkla sahiptirler. Bu durumda söz konusu boru veya kanalda katı partiküller veya peletler halinde bir katalizör bulunur. Sıvı veya gaz hâldeki reaktanlar katalizör yatağı boyunca pompalanır. Bu tipe örnek olarak örnek verilebilir. Bir kimyasal reaktör aynı zamanda akışkan yataklı da olabilir (bkz: ).
Bir reaktörde gerçekleşen kimyasal tepkimeler ısı yayan, yani ekzotermik veya ısı alan, yani endotermik olabilir. Bir tank reaktörün içinde bulunan maddeleri ısıtmak veya soğutmak için reaktörde bir ceket veya reaktör etrafına sarılı borular bulunabilir. Boru tipi reaktörler ise eğer gerçekleşen reaksiyon oldukça ekzotermikse bir ısı değiştirici veya oldukça endotermikse bir endüstriyel fırın gibi tasarlanabilir.
Başlıca reaktör çeşitleri
Reaktörler birçok değişkene göre sınıflandırılabilirler. Reaktörlerin sınıflandırılmasında net ayrımlar bulunmadığından birkaç duruma göre çeşitlere ayrılabilirler.
Çalışma prensibine göre reaktör çeşitleri
Kimyasal reaktörler çalışma prensiplerine göre sınıflandırıldığında üç ana gruba ayrılırlar. Bunlar kesikli, ve sürekli reaktörlerdir.
Kesikli reaktörler
Kesikli reaktörler en temel reaktör çeşididir. Kesikli reaktörler genelde küçük ölçekli üretim faaliyetlerinde ve geliştirilmekte olan yeni proseslerin test edilmesinde kullanılmaktadır. Aynı zamanda pahalı ürünlerin üretiminde ve sürekli operasyona çevrilmesi zor olan proseslerde de kullanılırlar. Pigment, boyar madde, polimer üretimi; süt sanayisi, içecek endüstrisi ve ilaç endüstrisi kesikli reaktörün kullanıldığı alanlardan bazılarıdır.
Kesikli reaktörler yatışkın olmayan hâlde çalışırlar. Reaksiyonun gerçekleştiği süre boyunca reaktöre herhangi bir ürün giriş çıkışı yoktur. Ham maddeler (reaktanlar) reaktöre beslenerek reaksiyon başlatılır ve ürünün alınması için belli bir süre beklenir. Sıcaklık ve basıncın kontrol edilmesi, kesikli reaktörler için önemlidir. Gerekli ham maddeler reaktöre tepesinden boşaltılarak istenilen ürün elde edilebilir. Reaksiyon devam ettikçe sıcaklık ve basınçta değişiklik yapılabilir ve yeni maddeler reaktöre eklenebilir.
Kesikli reaktörlerin çeşitli avantajları ve dezavantajları vardır. Reaktanlar kesikli reaktörde uzun süreler boyu bekletilebilir ve bu sayede yüksek ürün dönüşümü elde edilir. Henüz test aşamasında olan ürünlerin üretiminde ve küçük ölçekli faaliyetlerde temizlenmesi ve bakımı kolaydır.Laboratuvar ölçeğinde kullanımında aynı anda birden fazla parametrenin (sıcaklık, basınç vs.) ölçümünün kolaylığı, kesikli reaktörlere kullanım avantajı sağlar. Ancak reaktörün temizlenmesi ve bakımı için ayrılan süreler üretimi kesintiye uğratır ve büyük ölçekte kullanımında bakımı zordur. Her bir parti ürün için gereken işçilik masrafı fazladır.
Yarı kesikli reaktörler
Yarı kesikli reaktörlerin çalışma prensibi hem kesikli hem sürekli reaktörlere benzer. Yarı kesikli bir reaktöre sürekli ham madde beslenirken oluşan ürün sürekli alınmak yerine kesikli bir şekilde alınabilir. Ham madde belli aralıklarla kesikli bir biçimde beslenirken, ürünün sürekli alındığı durum da yarı kesikli bir işlemdir. Yarı kesikli reaktörlerin en önemli kullanım alanlarından birisi, reaksiyonlardaki seçiciliği artırmaktır. Sıvı fazda gerçekleşen birden fazla reaksiyonda istenmeyen ürünler oluşabilir. İstenmeyen ürünün oluşmasının engellenmesi için ham madde beslemesi değiştirilebilir; bir reaktan sürekli beslenirken bir diğer reaktanın da kesikli bir şekilde sisteme beslenmesi sağlanabilir.
Yarı kesikli reaktörler genellikle tank şeklindedir ve görünüm açısından kesikli reaktörler veya sürekli karıştırmalı tank reaktörlere benzerler. Sıcaklık kontrolünün çok iyi sağlanması ve birden fazla sayıda gerçekleşen reaksiyonlarda istenmeyen yan ürünlerin oluşumunun engellenebilmesinden dolayı kullanıma elverişli bir reaktör çeşididir. Ancak büyük ölçekli üretime elverişsiz olması, yüksek işçilik maliyetleri ve reaksiyon analizinin zor olması yarı kesikli reaktörlerin kullanımını sınırlandırmaktadır.
Sürekli reaktörler
Sürekli çalışmakta olan reaktörler neredeyse her zaman yatışkın hâl koşullarında kesinti olmaksızın çalışır. Sürekli ham madde girişi ve ürün çıkışı olduğundan ve sabit operasyon koşullarında (sıcaklık, basınç vs.) tutulduğundan sürekli reaktörler büyük ölçekli endüstriyel üretimlerde kullanıma uygundur. Temel olarak iki tip sürekli reaktör vardır. Bunlar sırasıyla sürekli karıştırmalı tank reaktör ve piston akışlı reaktördür. Dolgu yataklı reaktörler prensip olarak piston akışlı reaktörlerle aynıdırlar, temel fark katalizör bulundurmalarıdır.
Sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR)
Sürekli karıştırmalı tank reaktörler (continuous stirred tank reactor), sürekli ham madde girişi ve ürün çıkışının olduğu ve reaksiyonun bir tank içerisinde gerçekleştirildiği reaktör çeşididir. Genelde sıvı hâlde gerçekleşen reaksiyonlar için kullanılırlar. Reaksiyonun reaktörün içinde her yerde eşit düzeyde gerçekleşebilmesi için bir karıştırıcıya sahiptirler. Sürekli karıştırmalı tank reaktörler yatışkın hâlde çalıştırıldığından ve karıştırıcıyla "tam" karışımın sağlandığı kabulü yapıldığından, reaksiyon hızının, sıcaklığın ve derişimin zamana ve mekâna bağlı olmadığı kabulleri de yapılarak tasarım eşitlikleri reaktör hacmine bağlı olarak türetilir.
Sürekli karıştırmalı reaktörler endüstrinin pek çok alanında kullanılmaktadırlar. Yağların sabunlaştırılmasında,stiren gibi birçok polimerin üretiminde,biyogaz, ve biyodizel üretiminde, fermantasyonda ve diğer pek çok endüstriyel uygulamada kullanılırlar.
Sürekli karıştırmalı tank reaktörlerin kullanımında belli avantaj ve dezavantajlar vardır.
Avantajları şu şekilde sıralanabilir:
- Sürekli karıştırma sayesinde sıcaklık içerideki sıvıda eşit dağıldığından sıcaklığın kontrolü kolaydır.
- Karıştırmadan dolayı ekzotermik reaksiyonlarda sıvı içinde belli noktalarda aşırı sıcaklık artışı olasılığı düşer.
- Büyük ölçekli üretim faaliyetlerinde ekonomiktir.
- Birbirlerine paralel bağlı kullanıldıklarında düşük mertebeli reaksiyonlar için kullanışlılardır.
Öte yandan dezavantajları da aşağıda sıralandığı gibidir:
- Karıştırma için gerekli enerji, tank reaktörlere ek işletme maliyeti getirir.
- Diğer sürekli çalışan reaktörlere kıyasla reaktörün birim hacmi başına düşen ürün dönüşümü daha azdır.
- İstenen operasyon koşulları için hacimlerinin büyük olması gerekebilir.
- Eğer çıkış akımının boru hattı reaktörde doğru konumlandırılmamışsa ürünün içine reaktan karışabilir.
Piston akışlı reaktör (PFR)
Piston akışlı reaktörler (plug flow reactor) bir boru boyunca sürekli akışın olduğu reaktör çeşididir. Yatışkın hâlde çalışan piston akışlı reaktörlerde reaksiyon silindir boru boyunca gerçekleşmektedir. Piston akışlı reaktöre beslenen reaktanlar reaktör boyunca tüketilerek ürünü oluştururlar. Reaktan ve ürünlerin derişimi, piston akışlı reaktörün uzunluğu boyunca değişim gösterir. Reaktörün başında reaktanların derişimi yüksekken, reaktör çıkışına doğru gidildikçe ürünlerin derişimi yükselir. Bu tip reaktörler genelde gaz tepkimelerinde kullanılırlar ancak bazı durumlarda sıvılarda da kullanılmaktadır.
Piston akışlı reaktörlerin tasarımında da çeşitli kabuller yapılarak tasarım eşitlikleri türetilir. Reaktörün yatışkın hâlde olduğu, derişimin sadece reaktör uzunluğu boyunca ve maddelerin reaktörde kalma süresiyle değiştiği gibi kabuller yapılarak piston akışlı reaktörün uzunluğuna göre tasarım eşitlikleri oluşturulur.
Piston akışlı reaktörler sanayide sıklıkla kullanılan reaktör çeşitlerindendir. Benzin üretimi, ile amonyak üretimi, kükürt dioksitin oksitlenerek kükürt trioksite dönüştürülmesi gibi pek çok üretim sürecinde piston akışlı reaktörler kullanılır.
Herhangi bir karıştırma ekipmanına gerek duyulmaması, büyük ölçekli faaliyetler ve hızlı reaksiyonlar için uygun olması, reaktör hacmi başına yüksek ürün dönüşümü elde edilmesi, piston akışlı reaktörlerin bazı avantajlarındandır. Ancak sıcaklık ve bileşim değişimlerinden dolayı piston akışlı reaktörlerin kontrolü zordur. Ekzotermik reaksiyonlarda reaktörün içinde belli noktalarda aşırı sıcaklık artışı meydana gelebilir.
Dolgu yataklı reaktör (PBR)
Dolgu yataklı reaktörlerin (packed bed reactor) çalışma prensibi, piston akışlı reaktörlerle neredeyse aynıdır. Dolgu yataklı reaktörü ayıran fark, reaktörün içinin silindir hat boyu katalizör topaklarıyla dolu olmasıdır. Reaktöre beslenen ham maddeler katalizörlerin arasındaki boşluklardan akarken bir yandan reaksiyona girer ve ürüne dönüşür. Piston akışlı reaktörlerden farklı olarak dolgu yataklı reaktörlerde matematiksel eşitlikler reaktörün uzunluğu yerine katalizör ağırlığına bağlı olarak yazılır ve çözülür.
Dolgu yataklı reaktörler endüstride pek çok yerde kullanılmaktadır. Yüksek sıcaklık ve basınçlarda kullanışlı, katalizörle yüksek temas alanı olduğundan ürün dönüşümü yüksek ve inşa, işletme ve bakım giderleri düşüktür. Ancak tıpkı piston akışlı reaktörler gibi sıcaklığı kontrol altında tutmak zordur. Katalizörlerin yenilenmesi gereklidir. Yan reaksiyonlar oluşabileceği gibi, reaktöre ısı aktarmak da zordur.
Tepkimeye giren maddelerin hâline göre reaktör çeşitleri
Kimyasal reaktörlerde maddenin farklı hâllerinde tepkime gerçekleşebilir. Çalışma prensibine göre bir sınıflandırma yapılabildiği gibi, tepkimeye giren maddelerin fiziksel hâline göre de bir sınıflandırma yapılabilir.
Homojen reaktörler
Homojen reaktörlerde reaktör boyunca tek bir faz bulunur. Yani tepkime denkliğindeki tüm maddeler aynı fiziksel hâlde bulunurlar.
Heterojen reaktörler
Heterojen reaktörlerde birden fazla faz bulunur. Maddeler aynı fazda olsalar bile birbirlerine karışmıyorlarsa heterojen kategorisinde değerlendirilirler. Tepkimeye giren maddelerin hâline göre aşağıdaki gibi sıralanabilirler:
- Sıvı-sıvı hâlinde gerçekleşen reaksiyonlar: Reaksiyonda sadece sıvı maddelerin olması normalde bir homojen reaksiyon olduğu anlamına gelir. Ancak eğer reaksiyona giren sıvılar birbiriyle karışmıyorsa heterojen tepkime gerçekleşir. Reaksiyon karışmayan sıvıların birbiriyle temas ettiği ara yüzeyde gerçekleşir. Ara yüzeyin alanını büyük tutmak amacıyla tank reaktörler kullanılabilir. Benzen veya toluenin asit karışımıyla nitrolanması, emülsiyon polimerizasyonu gibi tepkimeler heterojen reaksiyonlara birer örnektir. Bu tip reaksiyonları içeren kimyasal reaktörler heterojen reaktör tipine başlıca örneklerdendir.
- Sıvı-gaz hâlinde gerçekleşen reaksiyonlar: Heterojen reaktörlerde sıvı ve gaz halindeki maddeler tepkimeye girebilirler. Gaz hâldeki reaktanların reaktöre beslendiği ve sıvının katalizör görevi yaptığı durumlar da mevcuttur. Sıvı ve gaz faz arasında teması artırmak için karıştırmalı tanklar veya boru tipi reaktörler tercih edilebilir.
- Sıvı-katı hâlinde gerçekleşen reaksiyonlar: Sıvı ve katı fazda gerçekleşen reaksiyonlarda her çeşit reaktör geometrisi kullanılabilir. Katı madde bir katalizör veya reaktan olabilir.
- Gaz-katı hâlinde gerçekleşen reaksiyonlar: Kömürün oksijen ile yakılması, gaz ve katı maddeler içeren tepkimelere bir örnektir. Bu tepkimelerde katı madde tepkimede yer alabildiği gibi, katalizör olarak da kullanılabilir. Fabrikalarda kullanılan uçucu organik bileşiklerle kirlenmiş havanın arıtılmasında katı katalizörler kullanılır. Katı katalizör yüzeyine gaz karışımının teması ile gerçekleşen reaksiyonlar bu kategoride değerlendirilir.
- Sıvı-katı-gaz hâlinde gerçekleşen reaksiyonlar: Bu tepkimelerde katı genellikle bir katalizördür. Sıvı ve gaz hâldeki reaktanlar, reaktöre beraber beslenerek reaktörün içindeki katalizör üzerinde tepkimenin gerçekleşmesi sağlanır.
Tepkime türüne göre reaktör çeşitleri
Kimyasal reaktörler gerçekleştirdikleri tepkime çeşidine göre de sınıflandırılabilirler.
Katalitik reaktörler
Katalizörler bir tepkimenin hızını artıran kimyasal maddelerdir. Günümüzde amonyak üretiminden, hidrokarbonların kadar pek çok endüstride ve uygulamada katalizörler yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sayede günlük hayatta kullanılan gübre ve yakıt gibi ürünler ve endüstriyel birçok kimyasal üretilebilmektedir. Adından da anlaşılacağı üzere, katalitik reaktörlerde tepkimenin gerçekleşmesine yardımcı bir katalizör bulunur. Bu sayede istenen reaksiyonun hızlı bir şekilde gerçekleşmesi ve kısa sürede çok daha fazla ürün elde edilmesi sağlanır.
Katalitik reaktörlere gaz-katı katalitik reaksiyonların gerçekleştiği reaktörler örnek olarak verilebilir. Gaz-katı katalitik reaksiyonlarda reaksiyonun gerçekleşmesi, reaktanlardan oluşan bir gaz karışımının katı bir katalizör yüzeyine gönderilmesiyle sağlanmaktadır.
Katalitik olmayan reaktörler
Katalitik olmayan reaktörlerde herhangi bir katalizör bulunmaz. Reaksiyon katalizörsüz gerçekleşir. Gaz-katı katalitik olmayan reaksiyonlar bu tepkimelere bir örnektir. Katı atıkların, kömürün vb. organik materyallerin yakılması, demir oksitin yüksek fırınlarda metalik demire indirgenmesi, katalitik olmayan reaksiyonlara birer örnektir.
Galeri
- Değerli metalleri ayrıştırmak için kullanılan deneysel atık işleme ekipmanları.
- Bir karıştırmalı çöktürme tankı.
- Blue Grass Kimyasal Madde İmha Pilot Tesisi'nde bulunan nötralleşme reaktörleri.
- Organik sentez yapan bir sürekli salınımlı reaktör.
- Polonya, Chorula'da bulunan Gorazdze Çimento Fabrikası'ndaki döner fırın.
- Perfloroalkan üretiminde kullanılan kobalt florür bileşiğini üreten bir kimyasal reaktör.
Dış bağlantılar
- LearnChemE tarafından YouTube üzerinde yayınlanmış Kinetik/Reaktör Tasarımı eğitim videoları
- MATLAB ile yapılmış basit CSTR modelleri19 Aralık 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- MATLAB ile CSTR modelleme yöntemi 14 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .
- Reaktör modellemek için adi diferansiyel denklem (ODE) çözebilen yazılımlar
Kaynakça
- ^ Suresh, S.; Sundaramoorthy, S. (2014-12-18). Green Chemical Engineering: An Introduction to Catalysis, Kinetics, and Chemical Processes 30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .. CRC Press. p. 67. ISBN 9781466558854.
- ^ a b c d e f g h i Sinnott, R. K., & Towler, G. (2009). Chemical Engineering Design: SI Edition (5th ed.) 14 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .. Burlington: Elsevier Science.
- ^ a b c d e f g h Foutch, G. L., & Johannes, A. H. (2003). Reactors in Process Engineering. Encyclopedia of Physical Science and Technology, 23–43. doi:10.1016/b0-12-227410-5/00654-2
- ^ Jakobsen, Hugo A. (2014-04-02). Chemical Reactor Modeling: Multiphase Reactive Flows 30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .. . p. 1057. .
- ^ Foley, Alexandra (2014-08-15). "What Is a Packed Bed Reactor?" 20 Ekim 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde .. COMSOL Multiphysics©. from the original on 2016-10-20. Retrieved 2016-10-19.
- ^ Peacock, D. G.; Richardson, J. F. (2012-12-02). Chemical Engineering, Volume 3: Chemical and Biochemical Reactors and Process Control 18 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde .. Elsevier. p. 8. .
- ^ a b c d e . University of Michigan. 2020. 15 Mart 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Temmuz 2020.
- ^ a b c d e f g h i j k Fogler, H. S. (2006). Elements of Chemical Reaction Engineering (İngilizce). Pearson Education Ltd. ISBN . Erişim tarihi: 10 Temmuz 2020.
- ^ Keskin, T., Abubackar, H. N., Arslan, K., & Azbar, N. (2019). Biohydrogen Production From Solid Wastes. Biohydrogen, 321-346. doi:10.1016/b978-0-444-64203-5.00012-5
- ^ . University of Michigan. 2020. 16 Mart 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Temmuz 2020.
- ^ Tamaki, M., & Tominaga, H. (1998). 1.4. In Chemical reaction and reactor design (p. 5). New York, NY: Wiley.
- ^ a b c d e f Mann, U. (2017). Reactor Technology. Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology, 1–31. doi:10.1002/0471238961.1805010320011813.a01.pub3
- ^ DeGraff, A. W., & Poehlein, G. W. (1971). Emulsion polymerization of styrene in a single continuous stirred-tank reactor. Journal of Polymer Science Part A-2: Polymer Physics, 9(11), 1955–1976. doi:10.1002/pol.1971.160091103
- ^ Boe, K., & Angelidaki, I. (2009). Serial CSTR digester configuration for improving biogas production from manure. Water Research, 43(1), 166–172. doi:10.1016/j.watres.2008.09.041
- ^ Arooj, M., Han, S., Kim, S., Kim, D., & Shin, H. (2008). Continuous biohydrogen production in a CSTR using starch as a substrate. International Journal of Hydrogen Energy, 33(13), 3289–3294. doi:10.1016/j.ijhydene.2008.04.022
- ^ Chongkhong, S., Tongurai, C., & Chetpattananondh, P. (2009). Continuous esterification for biodiesel production from palm fatty acid distillate using economical process. Renewable Energy, 34(4), 1059–1063. doi:10.1016/j.renene.2008.07.008
- ^ Reungsang, A., Sreela-or, C., & Plangklang, P. (2013). Non-sterile bio-hydrogen fermentation from food waste in a continuous stirred tank reactor (CSTR): Performance and population analysis. International Journal of Hydrogen Energy, 38(35), 15630–15637. doi:10.1016/j.ijhydene.2013.03.138
- ^ . University of Michigan. 2020. 14 Aralık 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Temmuz 2020.
- ^ a b . University of Michigan. 2020. 12 Aralık 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 10 Temmuz 2020.
- ^ . University of Michigan. 2020. 28 Mart 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Temmuz 2020.
- ^ . University of Michigan. 2020. 16 Mart 2013 tarihinde kaynağından arşivlendi. Erişim tarihi: 12 Temmuz 2020.
- ^ a b c d Ravi, R., Gummadi, S., & Vinu, R. (2017). Coulson and Richardson's Chemical Engineering: Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering. United States, MA: Elsevier.
wikipedia, wiki, viki, vikipedia, oku, kitap, kütüphane, kütübhane, ara, ara bul, bul, herşey, ne arasanız burada,hikayeler, makale, kitaplar, öğren, wiki, bilgi, tarih, yukle, izle, telefon için, turk, türk, türkçe, turkce, nasıl yapılır, ne demek, nasıl, yapmak, yapılır, indir, ücretsiz, ücretsiz indir, bedava, bedava indir, mp3, video, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, resim, müzik, şarkı, film, film, oyun, oyunlar, mobil, cep telefonu, telefon, android, ios, apple, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, pc, web, computer, bilgisayar
Kimyasal reaktorler bir kimyasal reaksiyonun gerceklestirildigi proses ekipmanlaridir Kimya muhendisliginde proses tasarimi ve analizinde sik kullanilan klasik bir unite prosesidir Bir kimyasal reaktorun tasarimi kimya muhendisliginin birden fazla unsurunun kullanilmasini gerektirir Reaktorler proseste ham maddelerin urunlere donustugu oldukca temel bir ekipman oldugundan proses tasarimi acisindan buyuk onem arz eder Kimya muhendisleri bir reaksiyonun net bugunku degerini en ust duzeye cikarmak icin reaktorler tasarlar Tasarimcilar satin alma ve isletme maliyetini en dusuk seviyelerde tutarken bir yandan da uretilen urun miktarini en yuksek seviyede tutmak icin reaksiyonun urunler yonunde mumkun olan en yuksek devamliligini saglarlar Enerji girisi enerji cikisi ham madde maliyetleri iscilik vb isletme giderlerine ornek olarak verilebilir Isitma sogutma basinci artirmak icin pompalama surtunmeden kaynakli basinc dususu ve cokturme gibi durumlar da enerji degisimlerine birer ornektir Kimyasal reaktorlerin tasarimi ve reaksiyon kinetiginin incelenmesi uretim surecleri icin onemli bir konudur Kimyasal reaksiyon muhendisligi kimyasal reaktorlerin tasarimi ve ozellikle de kimyasal kinetigin endustriyel sistemlere uygulanmasiyla ilgilenen bir kimya muhendisligi dalidir Genel bakisSogutma ceketi olan bir karistirmali kimyasal reaktorun kesit gorunumu Yarim borular ile sarilmis bir kimyasal reaktor En sik kullanilan temel kimyasal reaktor cesitleri tank ve boru ve tipi reaktorlerdir Iki cesit de hem surekli hem de kesikli reaktor olarak kullanilabilir ve bir veya birden fazla kati madde icerebilir reaktanlar katalizorler veya diger inert maddeler Ancak reaktanlar ve urunler buyuk cogunlukla sivi veya gaz haldeki akiskanlardir Surekli proseslerde reaktorler genellikle calistirilirken kesikli proseslerde calistirilmalidirlar Bir reaktor ilk kez calistirilacagi veya kapatilacagi zaman gecis halindedir ve ana proses degiskenleri zamanla degisir Cesitli kimyasal reaktorlerin en onemli proses degiskenlerinin tahmin edilebilmesi icin kullanilan uc ideallestirilmis temel model vardir CSTR PFR Pek cok reaktor bu uc temel reaktor cesidinin farkli tasarimlari veya bir arada kullanimi ile modellenebilir Ana proses degiskenleri sunlardir t Yunanca kucuk tau harfi Hacim V Sicaklik T Basinc P Kimyasal maddelerin derisimleri C1 C2 C3 Cn Isi iletim katsayilari h U Borusal reaktorler ornegin piston akisli reaktor siklikla sahiptirler Bu durumda soz konusu boru veya kanalda kati partikuller veya peletler halinde bir katalizor bulunur Sivi veya gaz haldeki reaktanlar katalizor yatagi boyunca pompalanir Bu tipe ornek olarak ornek verilebilir Bir kimyasal reaktor ayni zamanda akiskan yatakli da olabilir bkz Bir reaktorde gerceklesen kimyasal tepkimeler isi yayan yani ekzotermik veya isi alan yani endotermik olabilir Bir tank reaktorun icinde bulunan maddeleri isitmak veya sogutmak icin reaktorde bir ceket veya reaktor etrafina sarili borular bulunabilir Boru tipi reaktorler ise eger gerceklesen reaksiyon oldukca ekzotermikse bir isi degistirici veya oldukca endotermikse bir endustriyel firin gibi tasarlanabilir Baslica reaktor cesitleriReaktorler bircok degiskene gore siniflandirilabilirler Reaktorlerin siniflandirilmasinda net ayrimlar bulunmadigindan birkac duruma gore cesitlere ayrilabilirler Calisma prensibine gore reaktor cesitleri Kimyasal reaktorler calisma prensiplerine gore siniflandirildiginda uc ana gruba ayrilirlar Bunlar kesikli ve surekli reaktorlerdir Kesikli reaktorler Bir kesikli reaktorun sematik gosterimi Kesikli reaktorler en temel reaktor cesididir Kesikli reaktorler genelde kucuk olcekli uretim faaliyetlerinde ve gelistirilmekte olan yeni proseslerin test edilmesinde kullanilmaktadir Ayni zamanda pahali urunlerin uretiminde ve surekli operasyona cevrilmesi zor olan proseslerde de kullanilirlar Pigment boyar madde polimer uretimi sut sanayisi icecek endustrisi ve ilac endustrisi kesikli reaktorun kullanildigi alanlardan bazilaridir Kesikli reaktorler yatiskin olmayan halde calisirlar Reaksiyonun gerceklestigi sure boyunca reaktore herhangi bir urun giris cikisi yoktur Ham maddeler reaktanlar reaktore beslenerek reaksiyon baslatilir ve urunun alinmasi icin belli bir sure beklenir Sicaklik ve basincin kontrol edilmesi kesikli reaktorler icin onemlidir Gerekli ham maddeler reaktore tepesinden bosaltilarak istenilen urun elde edilebilir Reaksiyon devam ettikce sicaklik ve basincta degisiklik yapilabilir ve yeni maddeler reaktore eklenebilir Kesikli reaktorlerin cesitli avantajlari ve dezavantajlari vardir Reaktanlar kesikli reaktorde uzun sureler boyu bekletilebilir ve bu sayede yuksek urun donusumu elde edilir Henuz test asamasinda olan urunlerin uretiminde ve kucuk olcekli faaliyetlerde temizlenmesi ve bakimi kolaydir Laboratuvar olceginde kullaniminda ayni anda birden fazla parametrenin sicaklik basinc vs olcumunun kolayligi kesikli reaktorlere kullanim avantaji saglar Ancak reaktorun temizlenmesi ve bakimi icin ayrilan sureler uretimi kesintiye ugratir ve buyuk olcekte kullaniminda bakimi zordur Her bir parti urun icin gereken iscilik masrafi fazladir Yari kesikli reaktorler Yari kesikli reaktorlerin calisma prensibi hem kesikli hem surekli reaktorlere benzer Yari kesikli bir reaktore surekli ham madde beslenirken olusan urun surekli alinmak yerine kesikli bir sekilde alinabilir Ham madde belli araliklarla kesikli bir bicimde beslenirken urunun surekli alindigi durum da yari kesikli bir islemdir Yari kesikli reaktorlerin en onemli kullanim alanlarindan birisi reaksiyonlardaki seciciligi artirmaktir Sivi fazda gerceklesen birden fazla reaksiyonda istenmeyen urunler olusabilir Istenmeyen urunun olusmasinin engellenmesi icin ham madde beslemesi degistirilebilir bir reaktan surekli beslenirken bir diger reaktanin da kesikli bir sekilde sisteme beslenmesi saglanabilir Yari kesikli reaktorler genellikle tank seklindedir ve gorunum acisindan kesikli reaktorler veya surekli karistirmali tank reaktorlere benzerler Sicaklik kontrolunun cok iyi saglanmasi ve birden fazla sayida gerceklesen reaksiyonlarda istenmeyen yan urunlerin olusumunun engellenebilmesinden dolayi kullanima elverisli bir reaktor cesididir Ancak buyuk olcekli uretime elverissiz olmasi yuksek iscilik maliyetleri ve reaksiyon analizinin zor olmasi yari kesikli reaktorlerin kullanimini sinirlandirmaktadir Surekli reaktorler Surekli calismakta olan reaktorler neredeyse her zaman yatiskin hal kosullarinda kesinti olmaksizin calisir Surekli ham madde girisi ve urun cikisi oldugundan ve sabit operasyon kosullarinda sicaklik basinc vs tutuldugundan surekli reaktorler buyuk olcekli endustriyel uretimlerde kullanima uygundur Temel olarak iki tip surekli reaktor vardir Bunlar sirasiyla surekli karistirmali tank reaktor ve piston akisli reaktordur Dolgu yatakli reaktorler prensip olarak piston akisli reaktorlerle aynidirlar temel fark katalizor bulundurmalaridir Surekli karistirmali tank reaktor CSTR Surekli karistirmali tank reaktorun sematik gosterimi Giris ve cikis akimlari kesintisiz bir sekilde akmaktadir Surekli karistirmali tank reaktorun CSTR ic kisminin kontrolu Saftta bulunan pervane kanatlari karistirmaya yardim eder Fotografin altinda tankin yanal yuzeyinde bulunan da karistirmaya yardimci olmaktadir Surekli karistirmali tank reaktorler continuous stirred tank reactor surekli ham madde girisi ve urun cikisinin oldugu ve reaksiyonun bir tank icerisinde gerceklestirildigi reaktor cesididir Genelde sivi halde gerceklesen reaksiyonlar icin kullanilirlar Reaksiyonun reaktorun icinde her yerde esit duzeyde gerceklesebilmesi icin bir karistiriciya sahiptirler Surekli karistirmali tank reaktorler yatiskin halde calistirildigindan ve karistiriciyla tam karisimin saglandigi kabulu yapildigindan reaksiyon hizinin sicakligin ve derisimin zamana ve mekana bagli olmadigi kabulleri de yapilarak tasarim esitlikleri reaktor hacmine bagli olarak turetilir Surekli karistirmali reaktorler endustrinin pek cok alaninda kullanilmaktadirlar Yaglarin sabunlastirilmasinda stiren gibi bircok polimerin uretiminde biyogaz ve biyodizel uretiminde fermantasyonda ve diger pek cok endustriyel uygulamada kullanilirlar Surekli karistirmali tank reaktorlerin kullaniminda belli avantaj ve dezavantajlar vardir Avantajlari su sekilde siralanabilir Surekli karistirma sayesinde sicaklik icerideki sivida esit dagildigindan sicakligin kontrolu kolaydir Karistirmadan dolayi ekzotermik reaksiyonlarda sivi icinde belli noktalarda asiri sicaklik artisi olasiligi duser Buyuk olcekli uretim faaliyetlerinde ekonomiktir Birbirlerine paralel bagli kullanildiklarinda dusuk mertebeli reaksiyonlar icin kullanislilardir Ote yandan dezavantajlari da asagida siralandigi gibidir Karistirma icin gerekli enerji tank reaktorlere ek isletme maliyeti getirir Diger surekli calisan reaktorlere kiyasla reaktorun birim hacmi basina dusen urun donusumu daha azdir Istenen operasyon kosullari icin hacimlerinin buyuk olmasi gerekebilir Eger cikis akiminin boru hatti reaktorde dogru konumlandirilmamissa urunun icine reaktan karisabilir Piston akisli reaktor PFR Piston akisli reaktor modelini gosteren basit bir sema Piston akisli reaktorler plug flow reactor bir boru boyunca surekli akisin oldugu reaktor cesididir Yatiskin halde calisan piston akisli reaktorlerde reaksiyon silindir boru boyunca gerceklesmektedir Piston akisli reaktore beslenen reaktanlar reaktor boyunca tuketilerek urunu olustururlar Reaktan ve urunlerin derisimi piston akisli reaktorun uzunlugu boyunca degisim gosterir Reaktorun basinda reaktanlarin derisimi yuksekken reaktor cikisina dogru gidildikce urunlerin derisimi yukselir Bu tip reaktorler genelde gaz tepkimelerinde kullanilirlar ancak bazi durumlarda sivilarda da kullanilmaktadir Piston akisli reaktorlerin tasariminda da cesitli kabuller yapilarak tasarim esitlikleri turetilir Reaktorun yatiskin halde oldugu derisimin sadece reaktor uzunlugu boyunca ve maddelerin reaktorde kalma suresiyle degistigi gibi kabuller yapilarak piston akisli reaktorun uzunluguna gore tasarim esitlikleri olusturulur Piston akisli reaktorler sanayide siklikla kullanilan reaktor cesitlerindendir Benzin uretimi ile amonyak uretimi kukurt dioksitin oksitlenerek kukurt trioksite donusturulmesi gibi pek cok uretim surecinde piston akisli reaktorler kullanilir Herhangi bir karistirma ekipmanina gerek duyulmamasi buyuk olcekli faaliyetler ve hizli reaksiyonlar icin uygun olmasi reaktor hacmi basina yuksek urun donusumu elde edilmesi piston akisli reaktorlerin bazi avantajlarindandir Ancak sicaklik ve bilesim degisimlerinden dolayi piston akisli reaktorlerin kontrolu zordur Ekzotermik reaksiyonlarda reaktorun icinde belli noktalarda asiri sicaklik artisi meydana gelebilir Dolgu yatakli reaktor PBR Dolgu yatakli reaktorlerin packed bed reactor calisma prensibi piston akisli reaktorlerle neredeyse aynidir Dolgu yatakli reaktoru ayiran fark reaktorun icinin silindir hat boyu katalizor topaklariyla dolu olmasidir Reaktore beslenen ham maddeler katalizorlerin arasindaki bosluklardan akarken bir yandan reaksiyona girer ve urune donusur Piston akisli reaktorlerden farkli olarak dolgu yatakli reaktorlerde matematiksel esitlikler reaktorun uzunlugu yerine katalizor agirligina bagli olarak yazilir ve cozulur Dolgu yatakli reaktorler endustride pek cok yerde kullanilmaktadir Yuksek sicaklik ve basinclarda kullanisli katalizorle yuksek temas alani oldugundan urun donusumu yuksek ve insa isletme ve bakim giderleri dusuktur Ancak tipki piston akisli reaktorler gibi sicakligi kontrol altinda tutmak zordur Katalizorlerin yenilenmesi gereklidir Yan reaksiyonlar olusabilecegi gibi reaktore isi aktarmak da zordur Tepkimeye giren maddelerin haline gore reaktor cesitleri Kimyasal reaktorlerde maddenin farkli hallerinde tepkime gerceklesebilir Calisma prensibine gore bir siniflandirma yapilabildigi gibi tepkimeye giren maddelerin fiziksel haline gore de bir siniflandirma yapilabilir Homojen reaktorler Homojen reaktorlerde reaktor boyunca tek bir faz bulunur Yani tepkime denkligindeki tum maddeler ayni fiziksel halde bulunurlar Heterojen reaktorlere bir ornek basit gosterimi Heterojen reaktorler Heterojen reaktorlerde birden fazla faz bulunur Maddeler ayni fazda olsalar bile birbirlerine karismiyorlarsa heterojen kategorisinde degerlendirilirler Tepkimeye giren maddelerin haline gore asagidaki gibi siralanabilirler Sivi sivi halinde gerceklesen reaksiyonlar Reaksiyonda sadece sivi maddelerin olmasi normalde bir homojen reaksiyon oldugu anlamina gelir Ancak eger reaksiyona giren sivilar birbiriyle karismiyorsa heterojen tepkime gerceklesir Reaksiyon karismayan sivilarin birbiriyle temas ettigi ara yuzeyde gerceklesir Ara yuzeyin alanini buyuk tutmak amaciyla tank reaktorler kullanilabilir Benzen veya toluenin asit karisimiyla nitrolanmasi emulsiyon polimerizasyonu gibi tepkimeler heterojen reaksiyonlara birer ornektir Bu tip reaksiyonlari iceren kimyasal reaktorler heterojen reaktor tipine baslica orneklerdendir Sivi gaz halinde gerceklesen reaksiyonlar Heterojen reaktorlerde sivi ve gaz halindeki maddeler tepkimeye girebilirler Gaz haldeki reaktanlarin reaktore beslendigi ve sivinin katalizor gorevi yaptigi durumlar da mevcuttur Sivi ve gaz faz arasinda temasi artirmak icin karistirmali tanklar veya boru tipi reaktorler tercih edilebilir Sivi kati halinde gerceklesen reaksiyonlar Sivi ve kati fazda gerceklesen reaksiyonlarda her cesit reaktor geometrisi kullanilabilir Kati madde bir katalizor veya reaktan olabilir Gaz kati halinde gerceklesen reaksiyonlar Komurun oksijen ile yakilmasi gaz ve kati maddeler iceren tepkimelere bir ornektir Bu tepkimelerde kati madde tepkimede yer alabildigi gibi katalizor olarak da kullanilabilir Fabrikalarda kullanilan ucucu organik bilesiklerle kirlenmis havanin aritilmasinda kati katalizorler kullanilir Kati katalizor yuzeyine gaz karisiminin temasi ile gerceklesen reaksiyonlar bu kategoride degerlendirilir Sivi kati gaz halinde gerceklesen reaksiyonlar Bu tepkimelerde kati genellikle bir katalizordur Sivi ve gaz haldeki reaktanlar reaktore beraber beslenerek reaktorun icindeki katalizor uzerinde tepkimenin gerceklesmesi saglanir Tepkime turune gore reaktor cesitleri Kimyasal reaktorler gerceklestirdikleri tepkime cesidine gore de siniflandirilabilirler Cesitli katalizorler Katalizorler tepkimeye girmezler ancak tepkime hizini artirirlar Katalitik reaktorler Katalizorler bir tepkimenin hizini artiran kimyasal maddelerdir Gunumuzde amonyak uretiminden hidrokarbonlarin kadar pek cok endustride ve uygulamada katalizorler yaygin olarak kullanilmaktadir Bu sayede gunluk hayatta kullanilan gubre ve yakit gibi urunler ve endustriyel bircok kimyasal uretilebilmektedir Adindan da anlasilacagi uzere katalitik reaktorlerde tepkimenin gerceklesmesine yardimci bir katalizor bulunur Bu sayede istenen reaksiyonun hizli bir sekilde gerceklesmesi ve kisa surede cok daha fazla urun elde edilmesi saglanir Katalitik reaktorlere gaz kati katalitik reaksiyonlarin gerceklestigi reaktorler ornek olarak verilebilir Gaz kati katalitik reaksiyonlarda reaksiyonun gerceklesmesi reaktanlardan olusan bir gaz karisiminin kati bir katalizor yuzeyine gonderilmesiyle saglanmaktadir Katalitik olmayan reaktorler Katalitik olmayan reaktorlerde herhangi bir katalizor bulunmaz Reaksiyon katalizorsuz gerceklesir Gaz kati katalitik olmayan reaksiyonlar bu tepkimelere bir ornektir Kati atiklarin komurun vb organik materyallerin yakilmasi demir oksitin yuksek firinlarda metalik demire indirgenmesi katalitik olmayan reaksiyonlara birer ornektir GaleriDegerli metalleri ayristirmak icin kullanilan deneysel atik isleme ekipmanlari Bir karistirmali cokturme tanki Blue Grass Kimyasal Madde Imha Pilot Tesisi nde bulunan notrallesme reaktorleri Organik sentez yapan bir surekli salinimli reaktor Polonya Chorula da bulunan Gorazdze Cimento Fabrikasi ndaki doner firin Perfloroalkan uretiminde kullanilan kobalt florur bilesigini ureten bir kimyasal reaktor Dis baglantilarLearnChemE tarafindan YouTube uzerinde yayinlanmis Kinetik Reaktor Tasarimi egitim videolari MATLAB ile yapilmis basit CSTR modelleri19 Aralik 2008 tarihinde Wayback Machine sitesinde MATLAB ile CSTR modelleme yontemi 14 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Reaktor modellemek icin adi diferansiyel denklem ODE cozebilen yazilimlarKaynakca Suresh S Sundaramoorthy S 2014 12 18 Green Chemical Engineering An Introduction to Catalysis Kinetics and Chemical Processes 30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde CRC Press p 67 ISBN 9781466558854 a b c d e f g h i Sinnott R K amp Towler G 2009 Chemical Engineering Design SI Edition 5th ed 14 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Burlington Elsevier Science ISBN 9780750685511 a b c d e f g h Foutch G L amp Johannes A H 2003 Reactors in Process Engineering Encyclopedia of Physical Science and Technology 23 43 doi 10 1016 b0 12 227410 5 00654 2 Jakobsen Hugo A 2014 04 02 Chemical Reactor Modeling Multiphase Reactive Flows 30 Haziran 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Springer Science Business Media p 1057 ISBN 9783319050928 Foley Alexandra 2014 08 15 What Is a Packed Bed Reactor 20 Ekim 2016 tarihinde Wayback Machine sitesinde COMSOL Multiphysics c from the original on 2016 10 20 Retrieved 2016 10 19 Peacock D G Richardson J F 2012 12 02 Chemical Engineering Volume 3 Chemical and Biochemical Reactors and Process Control 18 Temmuz 2020 tarihinde Wayback Machine sitesinde Elsevier p 8 ISBN 0080571549 a b c d e University of Michigan 2020 15 Mart 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 10 Temmuz 2020 a b c d e f g h i j k Fogler H S 2006 Elements of Chemical Reaction Engineering Ingilizce Pearson Education Ltd ISBN 0 13 127839 8 Erisim tarihi 10 Temmuz 2020 Keskin T Abubackar H N Arslan K amp Azbar N 2019 Biohydrogen Production From Solid Wastes Biohydrogen 321 346 doi 10 1016 b978 0 444 64203 5 00012 5 University of Michigan 2020 16 Mart 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 12 Temmuz 2020 Tamaki M amp Tominaga H 1998 1 4 In Chemical reaction and reactor design p 5 New York NY Wiley ISBN 978 0 471 97792 6 a b c d e f Mann U 2017 Reactor Technology Kirk Othmer Encyclopedia of Chemical Technology 1 31 doi 10 1002 0471238961 1805010320011813 a01 pub3 DeGraff A W amp Poehlein G W 1971 Emulsion polymerization of styrene in a single continuous stirred tank reactor Journal of Polymer Science Part A 2 Polymer Physics 9 11 1955 1976 doi 10 1002 pol 1971 160091103 Boe K amp Angelidaki I 2009 Serial CSTR digester configuration for improving biogas production from manure Water Research 43 1 166 172 doi 10 1016 j watres 2008 09 041 Arooj M Han S Kim S Kim D amp Shin H 2008 Continuous biohydrogen production in a CSTR using starch as a substrate International Journal of Hydrogen Energy 33 13 3289 3294 doi 10 1016 j ijhydene 2008 04 022 Chongkhong S Tongurai C amp Chetpattananondh P 2009 Continuous esterification for biodiesel production from palm fatty acid distillate using economical process Renewable Energy 34 4 1059 1063 doi 10 1016 j renene 2008 07 008 Reungsang A Sreela or C amp Plangklang P 2013 Non sterile bio hydrogen fermentation from food waste in a continuous stirred tank reactor CSTR Performance and population analysis International Journal of Hydrogen Energy 38 35 15630 15637 doi 10 1016 j ijhydene 2013 03 138 University of Michigan 2020 14 Aralik 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 10 Temmuz 2020 a b University of Michigan 2020 12 Aralik 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 10 Temmuz 2020 University of Michigan 2020 28 Mart 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 12 Temmuz 2020 University of Michigan 2020 16 Mart 2013 tarihinde kaynagindan arsivlendi Erisim tarihi 12 Temmuz 2020 a b c d Ravi R Gummadi S amp Vinu R 2017 Coulson and Richardson s Chemical Engineering Chemical and Biochemical Reactors and Reaction Engineering United States MA Elsevier ISBN 978 0 08 101096 9