المفاعلات
المفاعلات الكيميائية
المفاعل الكيميائي هو جهاز يتم فيه إجراء تفاعلات كيميائية مثل التحويل، الجمع أو التفكك بهدف إنتاج المواد المطلوبة. وفقًا للعقد، الجهاز الذي يتم فيه تفاعل الاحتراق لإنتاج الطاقة لا يُعد مفاعلًا.
تصنيف المفاعلات
1. المفاعلات أحادية الطور:
في هذه المفاعلات، يحدث التفاعل إما في طور الغاز أو في طور السائل.
2. المفاعلات متعددة الأطوار:
في هذه المفاعلات، يحدث التفاعل بين أطوار الغاز والسائل أو بين طورين سائلين أو بين الأطوار السائلة والصلبة.
تصنيف آخر للمفاعلات يعتمد على نوع العمليات التي تتم فيها، ويكون كالتالي:
1. المفاعلات الدفعة (Batch Reactors):
في هذه المفاعلات، يتم إدخال المواد الأولية بكمية معينة، ويحدث التفاعل في وقت محدد، ثم يتم إخراج المنتج من المفاعل.
مثل المفاعل لإنتاج بولي كلوريد الفينيل (PVC) من خلال بلمرة كلوريد الفينيل.
2. المفاعلات المستمرة أو التدفق الثابت (Continuous or Steady Flow Reactors):
في هذا النوع من المفاعلات، يتم إدخال المواد الأولية بشكل دائم في المفاعل، وبعد إجراء التفاعل، يتم إخراج المنتج بشكل مستمر.
مثل المفاعل لإنتاج الأمونياك من خلال التفاعل بين غازي الهيدروجين والنيتروجين.
3. المفاعلات شبه المستمرة (Semi-Batch Reactors):
هذه الأنواع من المفاعلات تتنوع بشكل كبير. في النوع الأكثر شيوعًا، يتم تحميل أحد المواد الأولية في المفاعل أولًا، ثم يتم إضافة المادة أو المواد الأولية الأخرى تدريجيًا.
مثل مفاعل هدرجة الزيوت السائلة لتشبعها وإنتاج الزيوت الصلبة.
هيكل المفاعل
لإجراء التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى المواد المتفاعلة، نحتاج إلى مساحة يتم فيها إجراء التفاعل. في هذه المساحة، يمكن التحكم في الظروف والحصول على المنتجات المطلوبة. تُعرف هذه المساحة باسم المفاعل، الذي يختلف شكله وخصائصه حسب الظروف التشغيلية ونوع العملية. ببساطة، شكل المفاعل ليس بالضرورة خزانًا بسيطًا، بل قد يتضمن العديد من المعدات الداخلية والخارجية التي تضيف تنوعًا واسعًا في شكل المفاعلات. بشكل عام، بغض النظر عن الشكل الظاهري، يمكن التحدث عن بعض الجوانب العامة المتعلقة بهيكل المفاعل، مثل قطر وارتفاع المفاعل وسمك الورقة المستخدمة في هيكله. كلما زاد الضغط التشغيلي، زاد سمك الهيكل وأصبح قطره أصغر نسبيًا. لكن يمكن زيادة السمك إلى حد معين. في بعض الأحيان مثل المفاعل LDPE الذي يكون ضغطه التشغيلي 2500 مرة أكبر من ضغط الجو، يتم أخذ سمك كبير للهيكل، بالإضافة إلى بناء جدار خرساني حول المفاعل لزيادة الأمان.
في تصميم هيكل المفاعل، بالإضافة إلى الجوانب السابقة، يجب تخصيص أماكن مختلفة لمعدات مثل أماكن الفوهات المدخلة والخارجة، مسارات التفريغ، أماكن أخذ العينات، مسارات الوصول إلى داخل المفاعل أو الفتحات، ومعدات الأدوات الدقيقة والأمان، والتي قد تكون لها تنظيمات متنوعة. في المفاعلات المزودة بمحركات، يجب تخصيص مكان لمرور العمود مع حلول لتسريبه. في المفاعل LDPE المذكور أعلاه، لا يوجد مادة يمكنها إغلاق المفاعل في هذا الضغط العالي، لذا يتم وضع جميع أجزاء المحرك مع المحرك الكهربائي داخل المفاعل.
المواد المختلفة تستخدم في بناء هيكل المفاعل، وأكثرها شيوعًا هي المعادن، التي يمكن أن تكون من الحديد، الفولاذ المقاوم للصدأ، الكربون الصلب، والتايتانيوم، بناءً على الشروط التصميمية واعتبارات التكلفة. في بعض الأحيان، لتقليل التكاليف، يتم بناء الهيكل من مواد معدنية مختلفة، على سبيل المثال، يمكن اختيار الهيكل من الكربون الصلب وتغطية الجدار الداخلي بطبقة من الفولاذ المقاوم للصدأ. في الظروف التي تكون فيها التآكل الشديد، يمكن استخدام المعادن مع بطانة زجاجية في بناء الهيكل.
من النقاط المهمة الأخرى في عملية المفاعل هو أن الجدران الداخلية للمفاعل يجب أن تكون مصقولة تمامًا وخالية من الخدوش أو الحفر أو التكتلات، لأن عدم الصقل يؤثر سلبًا على خصائص المنتج، خاصة في البوليمرات.
قد يؤدي هيكل المفاعل دورًا في التفاعل الكيميائي نفسه، مثل مفاعل HDA في الهدرجة حيث يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في الهيكل كعامل مساعد في التفاعل بين خليط التولوين، البنزين والهيدروجين، مما يجعل المنتج النهائي نقيًا تقريبًا 100%.
محرك المفاعل
من الطرق المتاحة للحصول على خلط مناسب في المفاعلات استخدام المحركات أو الخلاطات. يتكون الخلاط من مكونات مختلفة مثل المحرك، العمود، ختم العمود، صندوق التروس. يتم توفير الحركة الدورانية اللازمة بواسطة المحرك الكهربائي ويتم نقلها عبر العمود إلى الأجنحة، التي تخلق اضطرابًا في وعاء المواد المتفاعلة وتساعد على مزجها.
يتحكم صندوق التروس في سرعة دوران الخلاط، التي تتراوح عادة بين 37 إلى 360 دورة في الدقيقة. يتم استخدام الخلاط في المفاعلات البرميلية والمفاعلات الأنبوبيّة مع الفرق في تركيب العمود في كل نوع.
في تصميم وبناء المفاعل، لا يوجد معيار واحد دقيق. تصميم المفاعل يشمل العديد من المراحل. يتم اختيار الخلاط المناسب وتحديد سرعته بناءً على لزوجة المواد المتفاعلة في المفاعل. يتم حساب سمك الوعاء وفقًا لمعايير ASME استنادًا إلى الضغط التشغيلي وحجم المفاعل. يتم تصميم المعدات الحرارية أيضًا بناءً على كمية وتدفق المواد المستخدمة في التفاعل. يمكن تصميم المعدات الأخرى مثل الصمامات وعدادات التدفق بناءً على كمية الإنتاج ونوع التفاعل.
تصنيف المفاعلات
1. المفاعلات أحادية الطور:
في هذه المفاعلات، يحدث التفاعل إما في طور الغاز أو في طور السائل.
2. المفاعلات متعددة الأطوار:
في هذه المفاعلات، يحدث التفاعل بين أطوار الغاز والسائل أو بين طورين سائلين أو بين الأطوار السائلة والصلبة.
تصنيف آخر للمفاعلات يعتمد على نوع العمليات التي تتم فيها، ويكون كالتالي:
1. المفاعلات الدفعة (Batch Reactors):
في هذه المفاعلات، يتم إدخال المواد الأولية بكمية معينة، ويحدث التفاعل في وقت محدد، ثم يتم إخراج المنتج من المفاعل.
مثل المفاعل لإنتاج بولي كلوريد الفينيل (PVC) من خلال بلمرة كلوريد الفينيل.
2. المفاعلات المستمرة أو التدفق الثابت (Continuous or Steady Flow Reactors):
في هذا النوع من المفاعلات، يتم إدخال المواد الأولية بشكل دائم في المفاعل، وبعد إجراء التفاعل، يتم إخراج المنتج بشكل مستمر.
مثل المفاعل لإنتاج الأمونياك من خلال التفاعل بين غازي الهيدروجين والنيتروجين.
3. المفاعلات شبه المستمرة (Semi-Batch Reactors):
هذه الأنواع من المفاعلات تتنوع بشكل كبير. في النوع الأكثر شيوعًا، يتم تحميل أحد المواد الأولية في المفاعل أولًا، ثم يتم إضافة المادة أو المواد الأولية الأخرى تدريجيًا.
مثل مفاعل هدرجة الزيوت السائلة لتشبعها وإنتاج الزيوت الصلبة.
هيكل المفاعل
لإجراء التفاعلات الكيميائية، بالإضافة إلى المواد المتفاعلة، نحتاج إلى مساحة يتم فيها إجراء التفاعل. في هذه المساحة، يمكن التحكم في الظروف والحصول على المنتجات المطلوبة. تُعرف هذه المساحة باسم المفاعل، الذي يختلف شكله وخصائصه حسب الظروف التشغيلية ونوع العملية. ببساطة، شكل المفاعل ليس بالضرورة خزانًا بسيطًا، بل قد يتضمن العديد من المعدات الداخلية والخارجية التي تضيف تنوعًا واسعًا في شكل المفاعلات. بشكل عام، بغض النظر عن الشكل الظاهري، يمكن التحدث عن بعض الجوانب العامة المتعلقة بهيكل المفاعل، مثل قطر وارتفاع المفاعل وسمك الورقة المستخدمة في هيكله. كلما زاد الضغط التشغيلي، زاد سمك الهيكل وأصبح قطره أصغر نسبيًا. لكن يمكن زيادة السمك إلى حد معين. في بعض الأحيان مثل المفاعل LDPE الذي يكون ضغطه التشغيلي 2500 مرة أكبر من ضغط الجو، يتم أخذ سمك كبير للهيكل، بالإضافة إلى بناء جدار خرساني حول المفاعل لزيادة الأمان.
في تصميم هيكل المفاعل، بالإضافة إلى الجوانب السابقة، يجب تخصيص أماكن مختلفة لمعدات مثل أماكن الفوهات المدخلة والخارجة، مسارات التفريغ، أماكن أخذ العينات، مسارات الوصول إلى داخل المفاعل أو الفتحات، ومعدات الأدوات الدقيقة والأمان، والتي قد تكون لها تنظيمات متنوعة. في المفاعلات المزودة بمحركات، يجب تخصيص مكان لمرور العمود مع حلول لتسريبه. في المفاعل LDPE المذكور أعلاه، لا يوجد مادة يمكنها إغلاق المفاعل في هذا الضغط العالي، لذا يتم وضع جميع أجزاء المحرك مع المحرك الكهربائي داخل المفاعل.
المواد المختلفة تستخدم في بناء هيكل المفاعل، وأكثرها شيوعًا هي المعادن، التي يمكن أن تكون من الحديد، الفولاذ المقاوم للصدأ، الكربون الصلب، والتايتانيوم، بناءً على الشروط التصميمية واعتبارات التكلفة. في بعض الأحيان، لتقليل التكاليف، يتم بناء الهيكل من مواد معدنية مختلفة، على سبيل المثال، يمكن اختيار الهيكل من الكربون الصلب وتغطية الجدار الداخلي بطبقة من الفولاذ المقاوم للصدأ. في الظروف التي تكون فيها التآكل الشديد، يمكن استخدام المعادن مع بطانة زجاجية في بناء الهيكل.
من النقاط المهمة الأخرى في عملية المفاعل هو أن الجدران الداخلية للمفاعل يجب أن تكون مصقولة تمامًا وخالية من الخدوش أو الحفر أو التكتلات، لأن عدم الصقل يؤثر سلبًا على خصائص المنتج، خاصة في البوليمرات.
قد يؤدي هيكل المفاعل دورًا في التفاعل الكيميائي نفسه، مثل مفاعل HDA في الهدرجة حيث يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ في الهيكل كعامل مساعد في التفاعل بين خليط التولوين، البنزين والهيدروجين، مما يجعل المنتج النهائي نقيًا تقريبًا 100%.
محرك المفاعل
من الطرق المتاحة للحصول على خلط مناسب في المفاعلات استخدام المحركات أو الخلاطات. يتكون الخلاط من مكونات مختلفة مثل المحرك، العمود، ختم العمود، صندوق التروس. يتم توفير الحركة الدورانية اللازمة بواسطة المحرك الكهربائي ويتم نقلها عبر العمود إلى الأجنحة، التي تخلق اضطرابًا في وعاء المواد المتفاعلة وتساعد على مزجها.
يتحكم صندوق التروس في سرعة دوران الخلاط، التي تتراوح عادة بين 37 إلى 360 دورة في الدقيقة. يتم استخدام الخلاط في المفاعلات البرميلية والمفاعلات الأنبوبيّة مع الفرق في تركيب العمود في كل نوع.
في تصميم وبناء المفاعل، لا يوجد معيار واحد دقيق. تصميم المفاعل يشمل العديد من المراحل. يتم اختيار الخلاط المناسب وتحديد سرعته بناءً على لزوجة المواد المتفاعلة في المفاعل. يتم حساب سمك الوعاء وفقًا لمعايير ASME استنادًا إلى الضغط التشغيلي وحجم المفاعل. يتم تصميم المعدات الحرارية أيضًا بناءً على كمية وتدفق المواد المستخدمة في التفاعل. يمكن تصميم المعدات الأخرى مثل الصمامات وعدادات التدفق بناءً على كمية الإنتاج ونوع التفاعل.
