เครื่องปฏิกรณ์เคมีคือปริมาตรปิดที่เกิดปฏิกิริยาเคมี ขึ้น ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]}ในวิศวกรรมเคมีโดยทั่วไปแล้วหมายถึงภาชนะสำหรับกระบวนการที่ใช้ในการทำปฏิกิริยาเคมี^{[ 5 ]}ซึ่งเป็นหนึ่งในหน่วยปฏิบัติการ แบบคลาสสิก ในการวิเคราะห์กระบวนการทางเคมี การออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เคมีเกี่ยวข้องกับหลายแง่มุมของวิศวกรรมเคมีวิศวกรเคมีออกแบบเครื่องปฏิกรณ์เพื่อเพิ่มมูลค่าปัจจุบันสุทธิ สูงสุดสำหรับปฏิกิริยาที่กำหนด นักออกแบบต้องแน่ใจว่าปฏิกิริยาดำเนินไปอย่างมีประสิทธิภาพสูงสุดเพื่อให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ โดยให้ ผลผลิตสูงสุดในขณะที่ใช้เงินน้อยที่สุดในการซื้อและดำเนินการค่าใช้จ่ายในการดำเนินงาน ปกติ ประกอบด้วยพลังงานขาเข้า การกำจัดพลังงาน ต้นทุนวัตถุดิบค่าแรง ฯลฯ การเปลี่ยนแปลงพลังงานอาจมาในรูปแบบของการให้ความร้อนหรือการทำความเย็น การสูบเพื่อเพิ่มความดัน การสูญเสียความดันเนื่องจากแรงเสียดทาน หรือการกวน

วิศวกรรมปฏิกิริยาเคมีเป็นสาขาหนึ่งของวิศวกรรมเคมีที่เกี่ยวข้องกับเครื่องปฏิกรณ์เคมีและการออกแบบ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการประยุกต์ใช้จลนศาสตร์เคมีกับระบบอุตสาหกรรม

ประเภทพื้นฐานที่พบได้บ่อยที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์เคมีคือ ถัง (ซึ่งสารตั้งต้นผสมกันในปริมาตรทั้งหมด) และท่อหรือหลอด (สำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลราบเรียบและเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลเป็นเส้น )

เครื่องปฏิกรณ์ทั้งสองประเภทสามารถใช้เป็นเครื่องปฏิกรณ์แบบต่อเนื่องหรือแบบเป็นชุดได้ และทั้งสองแบบอาจบรรจุของแข็งได้หนึ่งชนิดหรือมากกว่า ( สารตั้งต้น ตัวเร่งปฏิกิริยาหรือวัสดุเฉื่อย) แต่โดยทั่วไปแล้วสารตั้งต้นและผลิตภัณฑ์จะเป็นของเหลว (ของเหลวหรือก๊าซ) เครื่องปฏิกรณ์ในกระบวนการต่อเนื่องมักจะทำงานในสภาวะคงที่ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์ในกระบวนการแบบเป็นชุดจำเป็นต้องทำงานในสภาวะไม่คงที่เมื่อเครื่องปฏิกรณ์เริ่มทำงาน ไม่ว่าจะครั้งแรกหรือหลังจากหยุดทำงาน เครื่องปฏิกรณ์จะอยู่ในสภาวะไม่คงที่ และตัวแปรสำคัญของกระบวนการจะเปลี่ยนแปลงไปตามเวลา

มีแบบจำลองในอุดมคติสามแบบที่ใช้ในการประมาณค่าตัวแปรกระบวนการที่สำคัญที่สุดของเครื่องปฏิกรณ์เคมีประเภทต่างๆ ดังนี้:

• แบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์แบบแบทช์
• แบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่อง (CSTR) และ
• แบบจำลองเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง (PFR)

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ในโลกแห่งความเป็นจริงจำนวนมากสามารถจำลองได้โดยใช้การผสมผสานของประเภทพื้นฐานเหล่านี้

ตัวแปรสำคัญของกระบวนการ ได้แก่:

• ระยะเวลาพำนัก (τ, ตัวอักษรกรีกเทาตัวเล็ก)
• ปริมาตร (V)
• อุณหภูมิ (T)
• ความดัน (P)
• ความเข้มข้นของชนิดทางเคมี (C ₁ , C ₂ , C ₃ , ... C _n )
• สัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อน (h, U)

เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อมักจะเป็นแบบบรรจุเม็ดในกรณีนี้ ท่อหรือช่องทางจะบรรจุอนุภาคหรือเม็ด ซึ่งโดยปกติจะเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง[ 6 ^{]สารตั้งต้น}ในสถานะของเหลวหรือก๊าซจะถูกสูบผ่านชั้นตัวเร่งปฏิกิริยา^{[ 7 ]}เครื่องปฏิกรณ์เคมีอาจเป็น แบบ ฟลูอิไดซ์เบด ได้เช่นกัน ดู เครื่องปฏิกรณ์แบบฟลู อิ ไดซ์ เบด

ปฏิกิริยาเคมีที่เกิดขึ้นในเครื่องปฏิกรณ์อาจเป็นปฏิกิริยาคายความร้อนซึ่งหมายถึงการปล่อยความร้อน หรือปฏิกิริยาดูดความร้อน ซึ่งหมายถึงการดูดความร้อน เครื่องปฏิกรณ์แบบถังอาจมีปลอกระบายความร้อนหรือให้ความร้อน หรือขดลวดระบายความร้อนหรือให้ความร้อน (ท่อ) พันรอบผนังด้านนอกของภาชนะเพื่อลดหรือเพิ่มอุณหภูมิของสารภายใน ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์แบบท่อสามารถออกแบบให้เหมือนเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนหากปฏิกิริยาคายความร้อน อย่างรุนแรง หรือเหมือนเตาเผาหากปฏิกิริยาดูดความร้อนอย่าง รุนแรง ^{[ 8 ]}

เครื่องปฏิกรณ์แบบง่ายที่สุดคือเครื่องปฏิกรณ์แบบชุด (Batch Reactor) โดยจะใส่สารตั้งต้นเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์แบบชุด และปฏิกิริยาจะดำเนินไปตามเวลา เครื่องปฏิกรณ์แบบชุดจะไม่ถึงสภาวะสมดุล และมักจำเป็นต้องควบคุมอุณหภูมิ ความดัน และปริมาตร ดังนั้น เครื่องปฏิกรณ์แบบชุดหลายๆ เครื่องจึงมีช่องสำหรับเซ็นเซอร์และช่องสำหรับป้อนและส่งออกสาร เครื่องปฏิกรณ์แบบชุดมักใช้ในการผลิตขนาดเล็กและปฏิกิริยากับวัสดุชีวภาพ เช่น ในการผลิตเบียร์ การผลิตเยื่อกระดาษ และการผลิตเอนไซม์ ตัวอย่างหนึ่งของเครื่องปฏิกรณ์แบบชุดคือเครื่องปฏิกรณ์ความดัน (Pressure Reactor )

ในเครื่องปฏิกรณ์แบบ กวนต่อเนื่อง (CSTR) สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวอย่างน้อยหนึ่งชนิดจะถูกป้อนเข้าไปในถังปฏิกรณ์ ซึ่งโดยทั่วไปจะมีการกวนด้วยใบพัดเพื่อให้แน่ใจว่าสารตั้งต้นผสมกันอย่างทั่วถึง ในขณะที่ของเหลวที่ออกจากเครื่องปฏิกรณ์จะถูกกำจัดออกไป การหารปริมาตรของถังด้วยอัตราการไหลเชิงปริมาตรเฉลี่ยผ่านถังจะให้ค่าเวลาเชิงพื้นที่หรือเวลาที่ต้องใช้ในการประมวลผลปริมาตรของของเหลวหนึ่งถังปฏิกรณ์ การใช้จลนศาสตร์ทางเคมี สามารถคำนวณ เปอร์เซ็นต์ ความสำเร็จ ที่คาดหวังของปฏิกิริยาได้ ต่อไปนี้เป็นประเด็นสำคัญบางประการเกี่ยวกับ CSTR:

• ในสภาวะสมดุล อัตราการไหลของมวลขาเข้าต้องเท่ากับอัตราการไหลของมวลขาออก มิฉะนั้นถังจะล้นหรือว่างเปล่า (สภาวะไม่คงที่) ในขณะที่เครื่องปฏิกรณ์อยู่ในสภาวะไม่คงที่ สมการแบบจำลองจะต้องได้มาจากการสมดุลของมวลและพลังงานเชิงอนุพันธ์
• ปฏิกิริยาจะดำเนินไปตามอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่สัมพันธ์กับความเข้มข้นสุดท้าย (ผลลัพธ์) เนื่องจากถือว่าความเข้มข้นมีความสม่ำเสมอทั่วทั้งเครื่องปฏิกรณ์
• บ่อยครั้ง การใช้งานเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่อง (CSTR) หลายเครื่องเรียงกันนั้นมีประโยชน์ทางเศรษฐกิจมากกว่า ตัวอย่างเช่น วิธีนี้ช่วยให้เครื่องปฏิกรณ์เครื่องแรกทำงานที่ความเข้มข้นของสารตั้งต้นที่สูงกว่า และส่งผลให้มีอัตราการเกิดปฏิกิริยาสูงขึ้น ในกรณีเหล่านี้ ขนาดของเครื่องปฏิกรณ์อาจแตกต่างกันไป เพื่อลดเงินลงทุน รวม ที่จำเป็นในการดำเนินกระบวนการให้ เหลือน้อยที่สุด
• สามารถพิสูจน์ได้ว่า CSTR ขนาดเล็กจำนวนอนันต์ที่ทำงานแบบ อนุกรมจะเทียบเท่ากับ PFR ^{[ 9 ]}

พฤติกรรมของเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่อง (CSTR) มักถูกประมาณหรือจำลองโดยใช้เครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่องในอุดมคติ (CISTR) การคำนวณทั้งหมดที่ดำเนินการกับ CISTR จะถือว่ามีการผสมที่สมบูรณ์แบบหากเวลาการคงอยู่เป็น 5-10 เท่าของเวลาการผสม การประมาณนี้ถือว่าใช้ได้สำหรับวัตถุประสงค์ทางวิศวกรรม แบบจำลอง CISTR มักใช้เพื่อลดความซับซ้อนของการคำนวณทางวิศวกรรมและสามารถใช้เพื่ออธิบายเครื่องปฏิกรณ์วิจัยได้ ในทางปฏิบัติ แบบจำลองนี้สามารถทำได้เพียงประมาณเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเครื่องปฏิกรณ์ขนาดอุตสาหกรรมซึ่งเวลาการผสมอาจมาก

เครื่องปฏิกรณ์แบบวงจรปิดเป็นเครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยาแบบไฮบริดที่มีลักษณะทางกายภาพคล้ายกับเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อ แต่ทำงานเหมือนเครื่องปฏิกรณ์แบบกวนต่อเนื่อง (CSTR) ส่วนผสมของปฏิกิริยาจะหมุนเวียนอยู่ในวงจรท่อที่ล้อมรอบด้วยปลอกหุ้มเพื่อระบายความร้อนหรือให้ความร้อน และมีการไหลเข้าของสารตั้งต้นและการไหลออกของผลิตภัณฑ์อย่างต่อเนื่อง

ใน PFR ซึ่งบางครั้งเรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อต่อเนื่อง (CTR) ^{[ 10 ]}สารตั้งต้นที่เป็นของเหลวหนึ่งชนิดหรือมากกว่าจะถูกสูบผ่านท่อหรือหลอด ปฏิกิริยาเคมีจะดำเนินต่อไปเมื่อสารตั้งต้นเคลื่อนที่ผ่าน PFR ในเครื่องปฏิกรณ์ประเภทนี้ อัตราการเกิดปฏิกิริยาที่เปลี่ยนแปลงจะสร้างความชันตามระยะทางที่เคลื่อนที่ไป ที่ทางเข้าของ PFR อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะสูงมาก แต่เมื่อความเข้มข้นของสารตั้งต้นลดลงและความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์เพิ่มขึ้น อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะช้าลง แง่มุมที่สำคัญบางประการของ PFR:

• แบบจำลอง PFR ในอุดมคติถือว่าไม่มีการผสมตามแนวแกน: ของเหลวใดๆ ที่ไหลผ่านเครื่องปฏิกรณ์จะไม่ผสมกับของเหลวที่อยู่ต้นน้ำหรือปลายน้ำ ดังที่คำว่า " การไหลแบบปลั๊ก " บ่งบอกไว้
• สามารถเติมสารเคมีลงในเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง (PFR) ได้จากตำแหน่งอื่นนอกเหนือจากทางเข้า วิธีนี้จะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ หรือลดขนาดและต้นทุนของเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่องได้
• เครื่องปฏิกรณ์แบบ PFR มีประสิทธิภาพทางทฤษฎีสูงกว่าเครื่องปฏิกรณ์แบบ CSTR ที่มีปริมาตรเท่ากัน กล่าวคือ เมื่อมีระยะเวลาและพื้นที่ (หรือเวลาการคงอยู่) เท่ากัน ปฏิกิริยาจะดำเนินไปได้สำเร็จในเปอร์เซ็นต์ที่สูงกว่าในเครื่องปฏิกรณ์แบบ PFR มากกว่าในเครื่องปฏิกรณ์แบบ CSTR อย่างไรก็ตาม ข้อนี้อาจไม่เป็นจริงเสมอไปสำหรับปฏิกิริยาผันกลับได้

สำหรับปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ที่มีความสำคัญในอุตสาหกรรมนั้น เป็นไปไม่ได้ที่ปฏิกิริยาจะดำเนินไปจนเสร็จสมบูรณ์ 100% อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะลดลงเมื่อสารตั้งต้นถูกใช้ไปเรื่อยๆ จนกระทั่งระบบเข้าสู่สมดุลพลวัต (ไม่มีปฏิกิริยาสุทธิหรือการเปลี่ยนแปลงของชนิดสารเคมีเกิดขึ้น) จุดสมดุลสำหรับระบบส่วนใหญ่จะไม่สมบูรณ์ 100% ด้วยเหตุนี้ กระบวนการแยกสาร เช่นการกลั่นจึงมักตามมาหลังจากเครื่องปฏิกรณ์เคมี เพื่อแยกสารตั้งต้นหรือผลพลอยได้ที่เหลืออยู่ออกจากผลิตภัณฑ์ที่ต้องการ สารตั้งต้นเหล่านี้บางครั้งอาจนำกลับมาใช้ใหม่ในตอนเริ่มต้นของกระบวนการ เช่น ในกระบวนการฮาเบอร์ในบางกรณี อาจจำเป็นต้องใช้เครื่องปฏิกรณ์ขนาดใหญ่มากเพื่อให้เข้าใกล้สมดุล และวิศวกรเคมีอาจเลือกที่จะแยกส่วนผสมที่ทำปฏิกิริยาไปบางส่วนและนำสารตั้งต้นที่เหลือกลับมาใช้ใหม่

ภายใต้ สภาวะ การไหลแบบราบเรียบการสมมติว่าเป็นการไหลแบบปลั๊กโฟลว์นั้นไม่ถูกต้องอย่างยิ่ง เนื่องจากของเหลวที่ไหลผ่านใจกลางท่อเคลื่อนที่เร็วกว่าของเหลวที่ผนังมากเครื่องปฏิกรณ์แบบมีแผ่นกั้นแบบสั่น ต่อเนื่อง (COBR) ช่วยให้เกิดการผสมอย่างทั่วถึงโดยการผสมผสานระหว่างการสั่น ของของเหลว และแผ่นกั้นแบบรู ทำให้สามารถประมาณการการไหลแบบปลั๊กโฟลว์ได้ภายใต้สภาวะ การไหลแบบราบเรียบ

เครื่องปฏิกรณ์แบบกึ่งต่อเนื่อง (semibatch reactor) ทำงานโดยมีการป้อนและส่งออกทั้งแบบต่อเนื่องและแบบเป็นชุด ตัวอย่างเช่น ถังหมัก (fermenter) จะบรรจุอาหารเลี้ยงเชื้อและจุลินทรีย์เป็นชุด ซึ่งจะผลิตก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์อย่างต่อเนื่องและต้องกำจัดออกอย่างต่อเนื่อง ในทำนองเดียวกัน การทำปฏิกิริยาระหว่างก๊าซกับของเหลวมักทำได้ยาก เนื่องจากต้องใช้ก๊าซปริมาณมากในการทำปฏิกิริยากับของเหลวที่มีมวลเท่ากัน เพื่อแก้ปัญหานี้ สามารถป้อนก๊าซอย่างต่อเนื่องโดยการเป่าผ่านของเหลวเป็นชุดได้ โดยทั่วไป ในการทำงานแบบกึ่งต่อเนื่อง สารตั้งต้นทางเคมีหนึ่งชนิดจะถูกป้อนเข้าไปในเครื่องปฏิกรณ์ และสารเคมีชนิดที่สองจะถูกเติมเข้าไปอย่างช้าๆ (เช่น เพื่อป้องกันปฏิกิริยาข้างเคียง ) หรือผลิตภัณฑ์ที่เกิดจากการเปลี่ยนแปลงสถานะจะถูกกำจัดออกอย่างต่อเนื่อง ตัวอย่างเช่น ก๊าซที่เกิดขึ้นจากปฏิกิริยา ของแข็งที่ตกตะกอน หรือผลิตภัณฑ์ที่ไม่ชอบน้ำซึ่งเกิดขึ้นในสารละลายในน้ำ

แม้ว่า เครื่องปฏิกรณ์ เร่งปฏิกิริยามักถูกนำไปใช้ในรูปแบบเครื่องปฏิกรณ์แบบไหลต่อเนื่อง (plug flow reactor) แต่การวิเคราะห์เครื่องปฏิกรณ์เหล่านี้จำเป็นต้องใช้กระบวนการที่ซับซ้อนกว่า อัตราการเกิดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาเป็นสัดส่วนกับปริมาณของตัวเร่งปฏิกิริยาที่สารตั้งต้นสัมผัส รวมถึงความเข้มข้นของสารตั้งต้นด้วย สำหรับตัวเร่งปฏิกิริยาในเฟสของแข็งและสารตั้งต้นในเฟสของเหลว อัตราการเกิดปฏิกิริยาจะเป็นสัดส่วนกับพื้นที่สัมผัส ประสิทธิภาพการแพร่ของสารตั้งต้นเข้าและผลิตภัณฑ์ออก และประสิทธิภาพของการผสม โดยปกติแล้วไม่สามารถสันนิษฐานได้ว่ามีการผสมที่สมบูรณ์แบบ นอกจากนี้ เส้นทางการเกิดปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยามักเกิดขึ้นหลายขั้นตอน โดยมีสารตัวกลางที่ถูกยึดติดทางเคมีกับตัวเร่งปฏิกิริยา และเนื่องจากการยึดติดทางเคมีกับตัวเร่งปฏิกิริยาก็เป็นปฏิกิริยาเคมีเช่นกัน มันอาจส่งผลต่อจลนศาสตร์ ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยามักแสดงจลนศาสตร์ที่เรียกว่า " จลนศาสตร์ปลอม" (falsified kinetics ) เมื่อจลนศาสตร์ที่ปรากฏแตกต่างจากจลนศาสตร์ทางเคมีที่แท้จริงเนื่องจากผลกระทบของการขนส่งทางกายภาพ

พฤติกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยาก็เป็นสิ่งที่ต้องพิจารณาเช่นกัน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกระบวนการปิโตรเคมีที่อุณหภูมิสูง ตัวเร่งปฏิกิริยาจะเสื่อมสภาพลงเนื่องจากกระบวนการต่างๆ เช่นการหลอมรวมการเกิดคาร์บอนและ การป น เปื้อน

ตัวอย่างทั่วไปของเครื่องปฏิกรณ์เร่งปฏิกิริยาคือตัวแปลงเร่งปฏิกิริยาที่ใช้กำจัดส่วนประกอบที่เป็นพิษในไอเสียรถยนต์ อย่างไรก็ตาม เครื่องปฏิกรณ์ปิโตรเคมีส่วนใหญ่เป็นแบบเร่งปฏิกิริยา และเป็นส่วนสำคัญในการผลิตสารเคมีในอุตสาหกรรม โดยมีตัวอย่างที่มีปริมาณการผลิตสูงมาก ได้แก่กรดซัลฟิวริกแอมโมเนียรีฟอร์เมต/ BTEX (เบนซีน โทลูอีน เอทิลเบนซีน และไซลีน) และการแตกตัวเร่งปฏิกิริยาแบบของเหลวสามารถจัดวางโครงสร้างได้หลายแบบ ดูเพิ่มเติมได้ ที่ เครื่อง ปฏิกรณ์ เร่งปฏิกิริยาแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกัน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับ เครื่อง ปฏิกรณ์เคมี