رآکتور

نام انگلیسی: Reactor
راکتور یک ظرف یا محفظه با شکل های مختلف می باشد که در آن واکنش شیمیایی صورت می گیرد و در آن مواد ورودی به محصولات تبدیل می شوند. راکتورها از لحاظ عملکردشان به گروههای ریز تقسیم بندی می شوند:
– راکتورهای ناپیوسته،
– راکتورهای نیمه پیوسته،
– راکتور های مخلوط شونده،
– راکتورهای لوله ای و
– راکتورهای بستر سیال
واکنش های شیمیایی که در داخل راکتور صورت می گیرند به دو دسته کلی متجانس Homogenous و نامتجانس Heterogeneous  تقسیم بندی می شوند. واکنش ها همچنین به دو دسته پلیمری و غیرپلیمری تقسیم می شوند.
واکنش های متجانس واکنش هایی هستند که در آن تمام ترکیب شوندگان در یک فاز که ممکن است گاز، مایع و یا جامد باشد، موجود هستند . همچنین در صورتیکه واکنش کاتالیزوری باشد، کاتالیزور هم بایستی در همان فاز وجود داشته باشد . واکنش های نامتجانس ،واکنش هایی هستند که برای انجام آنها حداقل دو فاز لازم باشد. متغیرهای زیادی سرعت واکنش را تغییر می دهند، در سیستم های متجانس ، دما ، فشار و غلظت متغیرهای واضحی هستند. در سیستم های نامتجانس به دلیل آنکه بیش از یک فاز وجود دارد و در طول واکنش مواد بایستی از یک فاز به فاز دیگر متصل شوند، علاوه بر دما، فشار و غلظت، سرعت انتقال جرم و سرعت انتقال حرارت نیز اهمیت دارد.
سه پارامتر مهمی که جهت توصیف عملکرد راکتور مورد استفاده قرار می گیرد عبارتند از:
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
 حال به بررسی متغیرهای مهمی که بر عملکرد راکتور تاثیر دارند می پردازیم.
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. مخصوصاً اگر بخواهیم یکی از مواد به طور کامل مصرف شود (به علت قیمت بالا یا خطرناک بودن) 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 به عوامل زیادی بستگی دارد. عموماً این انتخاب باید به گونه ای باشد که سرعت های زیاد واکنش و حجم کمتر راکتور را ایجاد نماید. به طور عملی محدودیت هایی در انتخاب دمای راکتور وجود دارد، از جمله ملاحظات ایمنی، محدودیت های جنس ساختمان راکتور و یا حداکثر دمای عملکرد کاتالیست. برحسب نوع واکنش انتخاب دما متفاوت خواهد بود. واکنشهای گرماگیر اگر یک واکنش گرماگیر باشد، عملکرد در دمای بالا باعث افزایش درصد تبدیل می شود . همچنین دمای بالا، سرعت واکنش را زیاد و حجم راکتور را کم می کند. بنابراین برای واکنش های گرماگیر تاآنجا که ممکن است، درجه حرارت بالا در نظر گرفته می شود به گونه ای که با ملاحظات ایمنی، محدودیت های جنس ساختمان راکتور و عمر کاتالیست مطابقت داشته باشد.
واکنش های گرمازا: برای واکنش های برگشت ناپذیر گرمازا، 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.
اگر در راکتور همراه واکنش اصلی واکنش های دیگری نیز صورت گیرد که باعث تولید محصولات جانبی شوند، باید در دمایی عمل کرد که میزان تولید محصول اصلی بیشتر باشد. این کار اغلب به حداقل کردن حجم راکتور ترجیح دارد.
کنترل دما: در وهله اول عملکرد راکتور را آدیاباتیک یا عایق بندی شده فرض می کنیم . طراحی چنین سیستمی ساده ترین و ارزان ترین طراحی ممکن است.
اگر عملکرد عایق بندی شده در واکنش های گرمازا باعث افزایش غیرقابل پذیرش درجه حرارت و در واکنش های گرماگیر باعث کاهش غیرقابل پذیرش درجه حرارت شود، با یکی از راهکارهای زیر سر و کار داریم:
انتقال حرارت غیرمستقیم با راکتور: اگر امکان عملکرد آدیاباتیک راکتور وجود نداشته باشد باید از حرارت غیر مستقیم و یا با خنک کردن غیر مستقیم استفاده نمود . این کار با استفاده از یک سطح انتقال حرارت داخلی یا خارجی در راکتور امکان پذیر است مانند استفاده از کویل ها و ژاکت ها.
تزریق گرم و تزریق سرد: تزریق مستقیم خوراک تازه سرد به نقاط میانی راکتور، تزریق سرد نامیده می شود. این عمل جهت کنترل دمای واکنش های گرمازا موثر است. اگر واکنش گرماگیر باشد، می توان خوراک تازه پیش گرم شده را به نقاط میانی راکتور تزریق کرد. این عمل تزریق گرم نام دارد.
حامل حرارت: افزایش یک ماده خنثی به خوراک راکتور، افزایش دمای واکن شهای گرمازا و یا کاهش دما در واکنش های گرماگیر را کاهش می دهد. باید تا آنجا که ممکن است از یکی از سیالات موجود در فرایند به عنوان حامل استفاده کرد. حتی اگر درجه حرارت راکتور در محدوده های قابل قبول کنترل شود، شاید لازم باشد که جریان خروجی از راکتور به سرعت سرد شود تا واکنش سریعاً متوقف شده و از تشکیل بیش از اندازه فراورده های جانبی جلوگیری به عمل آید.
عملیات خنک کردن را می توان به کمک انتقال حرارت غیر مستقیم با استفاده از تجهیزات مناسب و یا به وسیله انتقال حرارت مستقیم از طریق مخلوط کردن با یک سیال دیگر انجام داد . وضعیتی که معمولاً زیاد با آن مواجه می شویم زمانی است که محصولات گازی در یک راکتور نیاز به سرد کردن سریع دارند و این کار به وسیله مخلوط کردن محصول با یک مایع صورت می گیرد که در حین کار، مایع تبخیر می شود. حرارت لازم برای تبخیر مایع باعث می شود که محصولات گازی به سرعت سرد شوند. در واقع سرد کردن محصول خروجی از راکتور به کمک انتقال حرارت مستقیم به بسیاری از دلایل می توند مورد استفاده قرار گیرد:
واکنش بسیار سریع است و باید فوراً متوقف شود تا از تشکیل فراورده های جانبیِ اضافی جلوگیری به عمل آید.
محصولات راکتور آنقدر داغ یا خورنده هستند که اگر به طور مستقیم از یک مبدل عبور کنند، جنس ویژه ای برای ساختمان راکتور و مبدل یا طراحی مکانیکی گرانی لازم خواهد بود.
 سرد کردن محصولات راکتور باعث می شود که ضریب کثیفی در مبدل های حرارتی متداول افزایش یابد. مایعی که برای انتقال حرارت مستقیم بکار می رود باید به گونه ای انتخاب شود که به آسانی قابل جداسازی از محصول و برگرداندن به راکتور باشد . در چنین وضعیتی هزینه عملیاتی به حداقل خواهد رسید. از استعمال مواد خارجی، یعنی موادی که بیش از این در فرایند وجود نداشته اند، باید اجتناب کرد. چراکه در اغلب موارد جداسازی و یا برگرداندن این مواد با بازده بالا مشکل است. به علاوه مواد خارجی بازگشت داده نشده در جریان خروجی مشکل ساز خواهند بود. فشار راکتور افزایش فشار در واکنش های برگشت ناپذیر فاز بخار سرعت واکنش را زیاد می کند و لذا حجم راکتور را کاهش می دهد. این امر به دو علت ایجاد می شود؛ هم به علت کاهش زمان اقامت مورد نیاز برای یک تبدیل معین در راکتور و هم به وسیله افزایش دانسیته بخار. به طور کلی پارامتر فشار اثر ناچیزی بر روی سرعت واکنش های فاز مایع دارد. انتخاب فشار در واکنش های برگشت پذیر فاز بخار به این امر بستگی دارد که آیا واکنش همراه با کاهش و یا افزایش در تعداد مول ها است و یا اینکه تولید محصول با واکنش ها و محصولات جانبی همراه است یا نه. اگر واکنش برگشت ناپذیر با کاهش تعداد مول ها همراه باشد، افزایش فشار راکتور، درصد تبدیل تعادلی و سرعت واکنش را افزایش و همچنین حج م راکتور را کاهش می دهد ؛ بنابراین در این حالت باید فشار در بالاترین حد عملیاتی تنظیم شود؛ نباید از این نکته غافل شد که فشار بالا از طریق توان بالاتر کمپر سور تامین می شود که از نظر هزینه قابل توجه است. به علاوه ساختمان مکانیکی لازم برای فشار بالا هزینه گزاف ی را ایجاد می کند. در واکنش های برگشت ناپذیر که با افزایش تعداد مولها همراه است کاهش در فشار راکتور، درصد تبدیل تعدلی را افزایش می دهد؛ لیکن عملکرد تحت یک فشار کم، سرعت واکنش های فاز بخار را کاهش و حجم راکتور را افزایش می دهد. بنابراین در ابتدای کار که از تعادل دور هستیم، استفاده از فشارهای بالا به منظور افزایش سرعت واکنش مناسب تر است؛ اما هنگامی که به شرایط تعادلی نزدیک می شویم، برای افزایش درصد تبدیل بالا فشار را باید کاهش داد. اگر در راکتور واکنش های جانبی و محصولات جانبی نیز تولید شود، فشار باید به گونه ای انتخاب شود که محصولات جانبی کمتری تولید شود. در این حالت اغلب افزایش تولید محصول مطلوب نسبت به حجم راکتور ترجیح داده می شود.
برای واکنش های فاز مایع فشار اثر بسیار کمی دارد و فشار احتمالاً باید به گونه ای انتخاب شود که: از تبخیر محصولات جلوگیری کند اجازه دهد تا یکی از محصولات در واکنش برگشت پذیر تبخیر شود؛ زیرا با خروج این جزء مقدار حداکثر درصد تبدیل افزایش می یابد. فاز راکتور اگر امکان یک انتخاب آزاد بین واکنش های فاز مایع و واکنش های فاز گاز وجود داشته باشد، معمولاً عمل در فاز مایع ترجیح داده می شود چون حجم راکتور مورد نیاز در واکنش های فاز مایع کوچکتر است و نیز تجهیزات مورد استفاده برای فاز مایع کم هزینه تر می باشد. عدم کارایی راکتور در استفاده از مواد ورودی می تواند به صورت های زیر باشد: چنانچه درصد تبدیل بدست آمده در راکتور پایین بوده و جدا کردن و بازگرداندن خوراک واکنش نداده دشوار باشد. از طریق تشکیل فراورده های جانبی ناخوسته، گاهی اوقات فراورده های جانبی خوراک محصول با ارزش است، گاهی اوقات به عنوان یک سوخت ارزش دارد . اما گاهی اوقات مشکل آفرین بوده و نیاز به فرایندهای تصفیه پساب گران قیمت دارد. ناخالصی های خوراک می تواند واکنش را به تشکیل فراورده های جانبی سوق دهد. بهترین راه اجتناب از این امر، خالص سازی خوراک قبل از واکنش است. کارایی خوب راکتور مستلزم کنترل دقیق متغیرهای عملیاتی مانند فشار، دما و غلظت می باشد. راکتورها از لحاظ عملکردشان به گروههای ریز تقسیم بندی می شوند:
راکتور ناپیوسته
نام انگلیسی: Batch Reactor
از دیدگاه تاریخی، راکتورهای ناپیوسته از آغاز صنعت شیمیایی مورد استفاده بوده و هنوز هم به صورت وسیعی در تولید مواد شیمیایی با ارزش افزودنی بالا مورد استفاده می باشند. در این راکتورها مواد واکنش دهنده در همان ابتدای عمل وارد راکتور می شوند . محتویات راکتور برای مدت مشخصی کاملاً مخلوط شده و پس از مدت زمان معینی که واکنش پیشرفت کرد، محتویات داخل راکتور تخلیه می شوند. در این راکتورها غلظت در طول زمان تغییر می کند اما اختلاط کامل باعث می شود که در لحظه درجه حرارت و ترکیب در سرتاسر راکتور یکنواخت باشد. این راکتورها در موارد زیر بکار برده می شوند. تولید در مقیاس کوچک صنعتی (ظرفیت کم) آزمایش کردن فرایندهای ناشناخته تولید صنعتی محصولات گران قیمت برای محصولاتی که تولید آنها در شرایط مداوم مشکل باشد امتیاز این راکتورها در این است که با دادن زمان لازم برای انجام واکنش، مواد اولیه با درصد تبدیل بالا به محصولات مورد نظر تبدیل می گردند و احتیاج به وسایل اضافی و کمکی کمتری دارند . در حالیکه استفاده از این نوع راکتورها محدود به واکنش های متجانس فاز مایع می باشد . از دیگر محدودیت های این نوع راکتورها بالا بودن هزینه تولید در واحد حجم محصول تولید شده می باشد (به دلیل بالا بودن زمان سیکل و زمان تخلیه و شستشو). همچنین تولید صنعتی در مقیاس بالا در اینگونه راکتورها مشکل می باشد.
راکتور نیمه پیوسته
نام انگلیسی: Semi Batch Reactor
راکتورهای نیمه پیوسته نیز همان محدودیت های راکتور ناپیوسته را دارد. از امتیازات راکتور های نیمه پیوسته کنترل خوب حرارت و کنترل واکنش های نامطلوب و محدود کردن تولید محصولات ناخواسته می باشد . این عمل از طریق وارد کردن تدریجی یکی از اجزاء ترکیب شونده با غلظت کم میسر می گردد . راکتور های نیمه پیوسته اغلب برای واکنش های دوفازی که یکی از اجزاء ترکیب شونده گاز باشد مورد استفاده قرار می گیرد و جزء گازی به صورت حباب به داخل فاز مایع درون راکتور تغذیه می گردد.
راکتور مخلوط شونده
نام انگلیسی: Mixed Reactor
در این راکتور مواد اولیه وارد راکتور می شوند و پس از اختلاط در راکتور و اقامت برای مدت زمان مشخصی در راکتور، از راکتور خارج می شوند. راکتور مخلوط شونده مشتمل بر انواع پره ها و بافل و سیستم سرمایش و گرمایش است. این راکتور زمانی که یک واکنش شیمیایی احتیاج به همزدن شدید داشته باشد مورد استفاده قرار می گیرد . کنترل حرارت در این راکتورها به آسانی انجام می گیرد. یکی از محدودیت های این نوع راکتورها درصد تبدیل پایینتر آنها در واحد حجم محصول تولید در مقایسه با سایر راکتورهای پیوسته باز می باشد. به همین دلیل حجم راکتور مذکور را باید خیلی بزرگ انتخاب کرد تا به درصد تبدیل بالا دست یافت . در صنعت معمولاً از یک سری راکتور مخلوط شونده پشت سر هم استفاده می شود. راکتورهای Mixed برای اغلب واکنش های متجانس در فاز مایع استفاده می شود. در این راکتورها، جریان خوراک ومحصول پیوسته است و فرض می شود که محتویات راکتور کاملاً بهم می خورد . این عمل منجر به یکنواختی درجه حرارت و ترکیب در راکتور می شود. به علت این اختلاط یک جزء سیال ممکن است در همان لحظه ای که وارد راکتور می شود آنرا ترک کند یا برای مدت زمان زیادی در داخل راکتور باقی بماند . زمان اقامت هرکدام از اجزاء سیال در راکتور متفاوت است.
راکتور لوله ای
نام انگلیسی: Tubular Plug Reactor
در صنایع شیمیایی برای فرایندهای با مقیاس بزرگ معمولاً از راکتورهای لوله ای استفا ده می شود . زیرا نگهداری سیستم راکتورهای لوله ای آسان می باشد (چون دارای قسمت های متحرک نیستند) و معمولاً بالاترین درصد تبدیل مواد اولیه در واحد حجم راکتور را در مقایسه با سایر راکتورهای سیستم جاری دارا هستند. از محدودیت های این راکتورها مشکل کنترل حرارتی برای واکنش های گرمازایی است که بسیار سریع عمل می کنند و نهایتاً منجر به نقاط داغ Hot Spot می گردند. نقاط داغ Hot Spot باعث می شوند که کیفیت محصول کاهش یابد و دستگاه آسیب ببیند. اغلب واکنش های متجانس گازی در این نوع راکتورها انجام می گیرند. در این راکتورها نیز مانند راکتورهای Batch زمان اقامت برای تمام اجزاء سیال مساوی است . سیستم متشکل از تعدادی واحدهای سری از راکتورهای مخلوط شونده Mixed ، عملکردی مشابه با یک راکتور لوله ای دارد. هرچقدر واحدهای پشت سر هم بیشتر باشد، خواص سیستم به حالت لوله ای نزدیکتر است.
راکتور بستر سیال
نام انگلیسی: Fluidized Bed Reactor
نوع دیگری از راکتورهای کاتالیزوری، راکتور بستر سیال می باشد . در راکتور بستر سیال همانند راکتور مخلوط شونده، محتویات داخل راکتور اگرچه غیر متجانس می باشند ولی به خوبی با یکدیگر مخلوط شده و باعث توزیع یکنواخت دما در تمام نقاط راکتور می گردند. به دلیل توزیع مناسب حرارت در داخل این راکتورها مشکل نقاط داغ وجود ندارد. به دلیل ظرفیت بالا و کنترل حرارت خوب ، این نوع راکتورها، کاربرد صنعتی زیادی پیدا کرده اند. از امتیازات برجسته این راکتورها سهولت احیا و جایگزین کردن کاتالیزور می باشد.
مزایا و معایب بسترهای سیال برای عملیات صنعتی مزایا عبارتند از:
جریان ملایم و مایع مانند ذرات اجازه می دهد که عملیات به صورت اتوماتیک و به طور ساده کنترل شود. مخلوط شدن سریع جامدات باعث ایجاد شرایط یکنواخت و جلوگیری از ایجاد نقاط داغ و سادگی و اطمینان کنترل می شود. در مقابل تغییرات سریع به آرامی عملکرد نشان می دهد. گردش ذرات جامد بین دو بستر سیال امکان برداشت (یا اضافه) کردن مقدار زیاد حرارت تولید شده (یا مورد نیاز) راکتورهای بزرگ را فراهم می کند. برای عملیات در مقیاس بزرگ مناسب هستند. در مقایسه با سایر روش های تماس، سرعت انتقال جرم و حرارت بالاست. شدت انتقال حرارت بالا می باشد، در نتیجه سطح انتقال حرارت نسبتاً کمتری نیاز است. معایبشان عبارتند از: برای بسترهای حبابی شامل ذرات ریز، نحوه جریان گاز و انحراف از حالت ایده آل باعث بهره پایین تماس می گردد. زمان اقامت دانه های جامد کاتالیست متفاوت است. این موضوع به علت مخلوط شدن ذرات در بستر و خروج تصادفی آنها می باشد . این موضوع باعث فراوری غیر یکنواخت کاتالیست در احیاکننده می شود که نتیجه آن کم شدن بهره عملکرد است. ذرات شکننده، خرد شده و توسط گاز به بیرون حمل می شوند که بایستی جایگزین شوند. خوردگی لوله ها و ظروف به وسیله اصطکاک با ذرات می تواند جدی باشد. مزایای اقتصادی قابل توجه بستر سیال عامل اصلی استفاده موفقیت آمیزِ این دستگاه در صنعت می باشد . اما چنین موفقیتی بستگی به شناخت و فائق آمدن بر معایبشان دارد.
راکتور بستر ثابت
نام انگلیسی: Fixed Bed Reactor
راکتورهای بستر ثابت در واقع همان راکتورهای لوله ای پر شده از دانه های جامد کاتالیزور هستند . واکنش های غیر متجانس از نوع گازی و کاتالیزوری دراین نوع راکتورها انجام می گیرد . از معایب این نوع راکتورها مشکل کنترل حرارتی و مشکل جایگزینی کاتالیزور بعد از غیر فعال شدن آن می باشد. همچنین بعضی اوقات پدیده کانالیزه شدن مواد گازی در حین عبور از درون راکتور باعث کاهش زمان اقامت لازم برای انجام واکنش می شود که این خود یکی دیگر از محدودیت های این نوع راکتور می باشد. امتیاز این نوع راکتورها، درصد تبدیل بالای آن در واحد وزن کاتالیزور مصرف شده در مقایسه با سایر راکتورهای کاتالیزوری می باشد. از دیگر مزایای این راکتور قیمت پایین تر آن نسبت به راکتور های مشابه مخصوصاً راکتور بستر سیال می باشد.
راکتور پلیمریزاسیون
نام انگلیسی: Polymerization reactor
واکنشهای پلیمریزاسیون با توجه به تنوع تولیدشان از استفاده کننده های عمده راکتورها به شمار می روند. البته ساختار کلی راکتورها تفاوت چندانی با راکتورهای سایر مواد ندارد: اما با توجه به اهمیت این واکنشها، مطالبی در این مورد بیان می شود.
تعاریف و بیان تفاوتها در راکتورهای ناپیوسته (Batch Reactors):
 تمامی اجزاء مخلوط واکنش به راکتور وارد می شوند و تا پایان واکنش در راکتور باقی می مانند. معمولاً در ابتدای پلیمریزاسیون در راکتورهای ناپیوسته یک گرم کن وجود دارد که طی آن دمای مخلوط به دمای لازم برای شروع واکنش افزایش داده می شود. سپس واکنش پلیمریزاسیون شروع شده و به علت گرمازایی قابل توجه آن دمای مخلوط واکنش می تواند افزایش یابد به همین دلیل در راکتورهای ناپیوسته باید قابلیت گرم و سرد کردن سریع و کافی و همچنین سیستم کنترل درجه حرارت موثر پیش بینی گردد. فرایندهای ناپیوسته برای پلیمریزاسیون با درجه تبدیل بالا مناسب است. از طرف دیگر این سیستمها برای بروز انفجار حرارتی مستعد هستند. فرایندهای ناپیوسته عمدتاً در زمینه پلیمریزاسیون رادیکالی به کار می روند.
راکتور نیمه ناپیوسته (Semi Continuous Reactors) یا (Semi Batch): 
در راکتورهای نیمه پیوسته مواد برخی از مواد واکنش کننده ممکن است به تدریج به راکتور اضافه شوند یا آنکه محصولات جانبی تولید شده در طی واکنش از راکتور خارج گردند. در بسیاری از پلیمریزاسیونهای رادیکالی معمول است که منومر، حلال و یا شروع کننده را به منظور حفظ درجه حرارت و افزایش سرعت تولید به تدریج به راکتور اضافه می کنند . اضافه کردن تدریجی کومنومر در کوپلیمریزاسیون نیز وقتی که اختلاف فعالیت منومرها زیاد است از جمله کاربردهای این فرایند است. در پلیمریزاسیونهای نیمه پیوسته ممکن است که تمامی مواد واکنش کننده در ابتدای واکنش به راکتور اضافه گردند ولی قبل از تشکیل محصولات جانبی ، باید از راکتور خارج شو ند. پلیمریزاسیونهای مرحله ای از این نوع سیستمها هستند. تبخیر محصولات جانبی یک عامل موثر در جذب حرارت واکنش است که در برخی از موارد می تواند به قدری شدید باشند که باعث افت دمای واکنش گردد . در این حالت برای جبران حرارت از دست رفته حتی ممکن است نیاز به حرارت دهی نیز باشد .
راکتورهایی که برای فرایند نیمه پیوسته مورد استفاده قرار می گیرند مشابه با راکتورهای ناپیوسته است با این تفاوت که امکان افزایش مداوم مواد اولیه به آن و یا خروج محصولات جانبی از آن پیش بینی شده است. در راکتورهای پیوسته(Continuous Reactors)  مواد واکنش دهنده با شدت جریان ثابت به درون راکتور رانده شده و محصولات نیز به طور مداوم از راکتور خارج می گردند. پس از راه اندازی یک راکتور پیوسته، راکتور پس از عبور از یک حالت انتقالی به یک شرایط پایدار می رسد. در این شرایط شدت حرارت زائی سیستم نیز به مقدار ثابتی می رسد. فرایندهای مداوم عملیات آسان تر و هزینه کمتری دارد و هنگامی که ظرفیت تولید بالا باشد مورد استفاده قرار می گیرند. در موارد خاص پلیمریزاسیون در راکتورهای ناپیوسته که دارای انعطاف پذیری بیشتری برای تولید پلیمرهایی با درجا ت تبدیل مختلف هستند، انجام می گیرد.
فرایندهای پیوسته در راکتورهای همزن دار (Continuous Stirred Tank Reactors ,CSTR) و راکتورهای لوله ای (Tubular Reactor) قابل انجام است. راکتورهای همزن دار پیوسته مشابه با راکتورهای ناپیوسته هستند با این تفاوت که امکان ورود مداوم مواد اولیه به آنها و خروج محصول نهایی از آنها پیش بینی شده است.
از راکتورهای همزن دار پیوسته به صورت سری (Cascade) در صنعت برای پلیمریزاسیون امولسیونی مثل وینیل کلراید و وینیل استات استفاده می گردد. در راکتورهای لوله ای به منظور جذب حرارت آزاد شده، قطر راکتور همواره کوچک اختیار می شود.
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.
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 تا۱۰۶برابر 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 ۱۰۳ 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 . متوسط مقدار حرارت آزاد شده و همچنین حداکثر مقدار آن همسو با درجه حرارت و مقدار شروع کننده تغییر میکند . مقادیرحرارت و به ویژه حرارت ماکزیمم در پلیمریزاسیون متیل متاکریلات به مراتب بیشتر از پلیمریزاسیون استیرن است. این اختلاف ریشه در وجوذ اثرژل قوی در پلیمریزاسیون متیل متاکریلات نسبت به استیرن دارد. در مورد متیل متاکریلات اثر ژل در اوایل واکنش رخ میدهد. از این رو حرارت آزاد شده دارای یک نقطه اوج کاملاً متمایز است. در حالیکه اثر ژل در مورداستیرن در اواسط واکنش به وقوع میپیوندد یعنی در جایی که سرعت واکنش پلیمریزاسیون به واسطه مصرف مونومر و شروع کننده بسیار کم شده است. بنابراین ممکن است که حتی اثر ژل نیز قادر به افزایش سرعت واکنش تا مرز مقادیر اولیه آن نباشد.
0 پاسخ

ارسال یک پاسخ

در گفتگو ها شرکت کنید.

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *


+ شش = دوازده