مزایا، معایب و کاربردهای تخت ثابت، تخت متحرک و تخت جوشان

Thread Content

مطالب زیر همگی از اینترنت گرفته شده‌اند و مسئولیت حقوقی ندارند. راکتور با بستر ثابت: راکتور با بستر ثابت، که به عنوان راکتور با بستر پر شده نیز شناخته می‌شود، نوعی راکتور است که از کاتالیزورهای جامد یا مواد واکنش‌دهنده جامد برای انجام فرآیندهای واکنش چندفازی استفاده می‌کند. مواد جامد معمولاً به صورت دانه‌هایی با اندازه ۲ تا ۱۵ میلی‌متر وجود دارند و در لایه‌هایی با ارتفاع (یا ضخامت) مشخص تجمع می‌یابند. لایه تخت بی‌حرکت است و مایع از میان لایه تخت برای واکنش عبور می‌کند. تفاوت آن با راکتورهای تخت جریانی و راکتورهای تخت متحرک در این است که ذرات جامد در حالت ساکن قرار دارند. راکتورهای بستر ثابت عمدتاً برای انجام واکنش‌های کاتالیزی در فاز گازی-جامد استفاده می‌شوند، مانند توربین‌های سنتز آمونیاک، اکسیداتورهای تماس دی‌اکسید گوگرد، و کوره‌های تبدیل بخار هیدروکربن‌ها. هنگام استفاده در واکنش‌های غیرکاتالیزی شیمیایی فاز گاز-جامد یا فاز مایع-جامد، لایه واکنشگر از مواد جامد تشکیل می‌شود. راکتورهای بستر جریان ریز نیز می‌توانند در دسته راکتورهای بستر ثابت قرار گیرند؛ در این راکتورها، فاز گازی و مایعی به صورت همزمان از پایین بستر عبور کرده و تماس بین فازهای گازی، مایعی و جامدی ایجاد می‌شود. ۱. طبقه‌بندی: راکتورهای بستر ثابت سه شکل اساسی دارند: ① راکتور بستر ثابت عایق‌شده محوری. مایع از بالا به پایین در جهت محوری از میان لایه‌ی بستر جریان دارد و تبادل حرارتی بین لایه‌ی بستر و محیط خارجی وجود ندارد. ②راکتور تخت ثابت ایزوله شعاعی. مایع به صورت شعاعی از میان لایه‌ی بستر جریان دارد؛ می‌توان از جریان سانتریفوژی یا جریان کنسانتریک استفاده کرد. تبادل حرارتی بین لایه‌ی بستر و محیط خارجی وجود ندارد. در مقایسه با راکتورهای محوری، در راکتورهای شعاعی فاصله جریان سیال کوتاه‌تر است، مساحت مقطع مسیر جریان بزرگتر و کاهش فشار سیال نیز کمتر است. اما ساختار راکتورهای شعاعی پیچیده‌تر از راکتورهای محوری است. هر دوی این اشکال جزو راکتورهای عایق‌بندی‌شده محسوب می‌شوند و برای مواردی مناسب هستند که اثر حرارتی واکنش چندان زیاد نباشد، یا سیستم واکنش بتواند تغییرات دمایی ناشی از اثر حرارتی واکنش را در شرایط عایق‌بندی‌شده تحمل کند. ③راکتور تخت ثابت با لوله‌های مارپیچی. از چندین لوله واکنش موازی تشکیل شده است. کاتالیزور در داخل یا بین لوله‌ها قرار می‌گیرد و حامل گرما از بین لوله‌ها یا داخل آن‌ها عبور کرده تا گرمایش یا سرمایش ایجاد شود. قطر لوله‌ها معمولاً بین ۲۵ تا ۵۰ میلی‌متر است و تعداد لوله‌ها می‌تواند به هزاران عدد برسد. راکتورهای تخت ثابت با لوله‌ها برای واکنش‌هایی که دارای اثر حرارتی زیادی هستند، مناسب هستند. علاوه بر این، راکتورهایی نیز وجود دارند که از ترکیب متوالی فرم‌های پایه‌ای ذکر شده ساخته شده‌اند و به آن‌ها راکتورهای صفحه ثابت چندمرحله‌ای گفته می‌شود. به عنوان مثال: هنگامی که اثر حرارتی واکنش زیاد باشد یا نیاز به کنترل تدریجی دما وجود داشته باشد، می‌توان چندین راکتور عایق‌بندی‌شده را به صورت سری به یکدیگر متصل کرد تا راکتورهای چندمرحله‌ای عایق‌بندی‌شده با جایگاه ثابت ایجاد شوند؛ در بین راکتورها، از اختلاط‌کننده‌های حرارتی یا مواد تأمین‌کننده برای تنظیم دما استفاده می‌شود تا عملیات در شرایطی نزدیک به بهترین دما انجام شود. ۲. ویژگی‌ها: مزایای راکتورهای بستر ثابت عبارتند از: ① میزان بازخوانی کم است، به همین دلیل مایع می‌تواند به طور مؤثر با کاتالیزور در تماس باشد؛ همچنین، در صورت وجود واکنش‌های فرعی متوالی، می‌توان به انتخاب‌پذیری بالاتری دست یافت. ②خسارت مکانیکی کاتالیزور کم است. ③ساختار ساده است. معایب راکتورهای با بستر ثابت عبارتند از: ۱. انتقال حرارت ضعیف؛ هنگامی که میزان گرمای تولید شده در واکنش زیاد باشد، حتی در راکتورهای لوله‌ای نیز ممکن است دما از کنترل خارج شده و به سرعت افزایش یافته و از محدوده مجاز فراتر رود. ②در طول فرآیند، نمی‌توان کاتالیزور را تعویض کرد؛ بنابراین در واکنش‌هایی که نیاز به بازسازی مکرر کاتالیزور دارند، استفاده از آن مناسب نیست. معمولاً از راکتورهای تخت جریانی یا راکتورهای تخت متحرک به جای آن استفاده می‌شود. 　　کاتالیست‌های موجود در راکتورهای با بستر ثابت محدود به شکل دانه‌ای نیستند؛ کاتالیست‌های شبکه‌ای نیز مدت‌هاست که در صنعت مورد استفاده قرار گرفته‌اند. در حال حاضر، کاتالیست‌های سلولی و الیافی نیز به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرند. 　　مدل ریاضیاتی راکتور با بستر ثابت، نوعی راکتور چندفاز است که به خوبی مورد مطالعه قرار گرفته است. مدل‌های ریاضیاتی مختلفی برای توصیف راکتور با بستر ثابت وجود دارد که به طور کلی به دو دسته مدل‌های تقریباً یکفاز (که تفاوت‌های غلظت و دمای بین مایع و جامد را در نظر نمی‌گیرند) و مدل‌های چندفاز (که تفاوت‌های غلظت و دمای بین مایع و جامد را در نظر می‌گیرند) تقسیم می‌شوند. هر یک از این دسته‌ها نیز بسته به اینکه آیا اثر بازخورد مواد در نظر گرفته شده است یا خیر، به مدل‌های بدون بازخورد و مدل‌های با بازخورد تقسیم می‌شوند؛ همچنین بسته به اینکه آیا شیب غلظت و دما در جهت رادیال راکتور در نظر گرفته شده است یا خیر، به مدل‌های یک‌بعدی و مدل‌های دو‌بعدی تقسیم می‌شوند. راکتور بستر ثابت، نوعی راکتور کاتالیزی مولتی‌فاز است که به طور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. این راکتور حاوی ذرات جامد ثابتی است که می‌توانند کاتالیزورهای جامد یا مواد واکنش‌دهنده جامد باشند. به عنوان مثال، در راکتور بستر ثابت لوله‌ای، کاتالیزور در داخل لوله‌ها قرار دارد و مواد واکنش‌دهنده از بالا به پایین از میان بستر عبور می‌کنند؛ در فضای بین لوله‌ها، محرک حرارتی وجود دارد که با مواد واکنش‌دهنده در داخل لوله‌ها تبادل حرارت دارد تا شرایط دمایی مورد نیاز حفظ شود. علاوه بر این، راکتور بستر ثابت را می‌توان برای واکنش‌های غیرکاتالیزی در سیستم‌های گاز-جامد و مایع-جامد نیز استفاده کرد. هنگامی که گاز با سرعت کمتری از روی بستر ثابت عبور می‌کند، مقاومت ناشی از حرکت گاز، باعث تغییر در وضعیت حرکتی ذرات نمی‌شود و ارتفاع بستر ثابت باقی می‌ماند ； کاهش فشار در لایه تخت، به صورت لگاریتمی با افزایش سرعت جریان افزایش می‌یابد. تخت جریانی: در تخت جریانی، مایع از بالا از میان ذرات ریز یک لایه عبور می‌کند؛ هنگامی که سرعت جریان کم باشد، مایع تنها از میان فضاهای بین ذرات ساکن عبور می‌کند. در چنین شرایطی، این لایه را تخت ثابت می‌نامند ； با افزایش سرعت جریان، ذرات از یکدیگر دور می‌شوند و می‌توان تعداد کمی از ذرات را در یک ناحیه خاص مشاهده کرد که در حال لرزش و حرکت هستند؛ این حالت را «تخت پف‌دار» می‌نامند ； سرعت دوباره افزایش می‌یابد تا تمام ذرات دقیقاً در گاز یا مایع در حال جریان به سمت بالا معلق بمانند؛ در این حالت، لایه موجود نقطه شروع یک بستر جریانی است. ذرات جامد می‌توانند، مانند مایعاتی مانند آب، در داخل دستگاه دارای یک سطح تمایز واضح باشند؛ حتی در صورت کج شدن دستگاه، این سطح همچنان افقی باقی می‌ماند ； کاهش فشار در لایه تخت، با سرعت جریان تغییر نمی‌کند (تقریباً ثابت است). به زبان ساده، پدیده‌ای که در آن ذرات جامد تحت تأثیر سیال، رفتاری مشابه سیالات نشان می‌دهند، فلوئیدیزاسیون نامیده می‌شود. تخت جریانی، دستگاهی است که در آن پدیده جریان‌زایی رخ می‌دهد. در راکتورهای تخت جریانی، کاتالیست در حالت جریان پرفشار قرار دارد و توسط محیط واکنش و محیط ارتقاء، به سرعت از داخل راکتور عبور می‌کند؛ مانند راکتورهای لوله‌ای ارتقاء‌دهنده در فرآیند FCC. تخت انتقال: درون دستگاه، هیچ مرز مشخصی بین ذرات جامد وجود ندارد ； فشار لایه تخت با افزایش سرعت جریان کاهش می‌یابد. تخت جوشان، نوعی از تخت پراکنده است؛ در این راکتور، ذرات جامد در حال حرکت هستند و لایه‌ای که از مایع و ذرات جامد تشکیل شده، مانند مایعی در حال جوشیدن عمل می‌کند. در قسمت پایینی راکتور تخت جوشان، صفحات توزیع وجود دارد که ذرات جامد روی آن‌ها قرار می‌گیرند؛ مایع از زیر این صفحات وارد می‌شود. هنگامی که سرعت مایع به مقدار مشخصی برسد، ذرات جامد شروع به شل شدن می‌کنند و با افزایش بیشتر سرعت، وضعیت پراکندگی برقرار می‌شود. در داخل راکتور، معمولاً از دیواره‌های محافظ، انتقال‌کننده‌های حرارت و دستگاه‌های جداسازی مایع از ذرات جامد استفاده می‌شود. تخت جوشان دارای سطح تماس بزرگی است و باعث افزایش کارایی انتقال حرارت و ماده، همچنین افزایش بازدهی زمانی-فضایی می‌شود؛ اما مشکل خلط شدن مواد در آن وجود دارد. در تخت جوشان، به دلیل حرکت مواد جامد، واکنش‌ها یا انتقال حرارت به خوبی انجام می‌شود، اما مصرف انرژی زیاد است و همچنین مقدار گرد و غبار حمل‌شده در فرآیند تنظیم رطوبت زغال، زیاد است. تخت متحرک: تخت متحرک شبیه به تخت ثابت است، اما تفاوت آن در این است که ذرات جامد به طور مداوم از بالا وارد شده و از پایین خارج می‌شوند. تخت متحرک، دستگاهی برای تبادل یون‌ها است که در آن رزین‌های تبادل یونی به طور دوره‌ای بین مبدل‌ها، دستگاه‌های بازسازی و برج‌های شستشو جریان دارند. تفاوت بین کاتالیزورهای متحرک و ثابت در این است که در فرآیند واکنش، کاتالیزور به آرامی از ورودی راکتور به سمت خروجی حرکت می‌کند؛ کاتالیزور تازه (یا کاتالیزور بازسازی‌شده) از ورودی راکتور وارد می‌شود، و کاتالیزور غیرفعال نیز از خروجی راکتور خارج شده تا بازسازی گردد. سرعت حرکت کاتالیزور کم است و به حالت فلوئیدیته نرسیده است. مانند راکتورهای تخت متحرک در فرآیندهای بازسازی پیوسته UOP و IFP. تفاوت‌ها: تخت ثابت می‌تواند زغال‌سنگ‌هایی با درصد خاکستر بالا و نقطه ذوب خاکستر بالا را پردازش کند؛ هزینه سرمایه‌گذاری آن کم است، اما عملکرد آن از نظر محیط‌زیستی ضعیف است… تخت جریان هوا بیشترین تولید را دارد، اما نیازمند شرایط خاصی برای نوع زغال‌سنگ است ； در حال حاضر نمی‌توان فشار لازم را در تخت گوگردی اعمال کرد و گسترش آن محدود شده است. مهم‌ترین بخش این سه نوع تخت، طراحی بدنه تخت است؛ در حال حاضر در کشور ما، طراحی بدنه تخت عمدتاً بر اساس تخمین‌های تجربی و آزمایش‌های شبیه‌سازی‌شده انجام می‌شود و گسترش آن به تولید صنعتی اغلب با معایب زیادی همراه است. تفاوت اصلی آن‌ها بستگی به کاربرد، ویژگی‌های مواد، و اینکه آیا فرآیند فیزیکی است یا شیمیایی، دارد. بستر ثابت و بستر متحرک برای واکنش‌های گاز-گاز، گاز-مایع و مایع-مایع مناسب‌تر هستند؛ خود بستر به عنوان کاتالیزور عمل می‌کند و مزایای آن شامل کاهش مخلوط شدن مواد، کمتر شدن خروج فاز جامد و سادگی در جداسازی است. نوع تخته فرآیند فلوئیدیزه، در طراحی اهمیت زیادی دارد و الزامات سازگاری با سیستم واکنش بسیار بالاست. علاوه بر این، سرعت جریان گاز در حین عملکرد، میزان خروجی و طراحی تجهیزات جداسازی مانند گردبادهای مرتبط، دارای استانداردهای بسیار دقیقی هستند. انتقال حرارت در تخته جریان‌پذیر و روش‌های خنثی‌سازی حباب‌ها و جریان‌های زیرین نیز موضوعاتی هستند که مورد مطالعه فراوانی قرار گرفته‌اند. در تخته جریانی باید مراقب بود که دستگاه توزیع گاز مسدود نشود؛ در صورت مسدود شدن، مشکلات زیادی پیش می‌آید. تمایز بین تخت ثابت، تخت متحرک و تخت جوشان، بر اساس میزان هوای وارد شده به لایه تخت تعیین می‌شود؛ با افزایش میزان هوا، ترتیب آن‌ها به ترتیب تخت ثابت، تخت حبابی (تخت جوشان)، تخت پرتودار و تخت انتقالی است. بستر متحرک از نظر دقیق جزو دسته بسترهای پراکنده محسوب می‌شود؛ در این نوع بستر، ذرات به سمت پایین حرکت می‌کنند در حالی که ارتفاع لایه بستر تغییری نمی‌کند. به عنوان مثال، فرآیند ریفرمینگ کاتالیتیک در صنعت روغن‌کشی، نمونه‌ای از فرآیندهای مبتنی بر بستر متحرک است. در مورد دامنه کاربرد و مزایا و معایب، فناوری تخت جریان‌دار از نظر انتقال جرم، انتقال حرارت و یکنواختی در سطوح مختلف، عملکرد خوبی دارد؛ همچنین به دلیل امکان تولید در مقیاس بزرگ، کاربرد گسترده‌ای دارد. به عنوان مثال، فرآیندهای مختلف گازسازی و سوزاندن گاز که بر پایه تخت جریان‌دار چرخشی توسعه یافته‌اند. بسترهای ثابت و متحرک به دلیل محدودیت‌های مربوط به انتقال جرم و حرارت، در مقیاس کوچک عمل می‌کنند؛ اما هزینه سرمایه‌گذاری برای آن‌ها کم است. به عنوان مثال، فناوری گازسازی گازهای فرآوری‌شده توسط شرکت روچ، نمونه‌ای از بسترهای ثابت است؛ معمولاً برای انجام فرآیند به صورت پیوسته، نیاز به چند کوره است که به طور متناوب کار کنند.