2. Prosessikaavioiden yksityiskohtainen tarkastelu 2.1 Reaktorit Teolliset reaktorit voidaan toimintansa perusteella jakaa seuraavasti: panosreaktorit (batch) panosreaktorit (batch) 1
virtausreaktorit (flow) eli jatkuvatoimiset (continuous) reaktorit Putkireaktori (HPPE-synteesi) Jatkuvatoiminen sekoitussäiliöreaktori (CSTR) puolipanosreaktorit (semibatch) esim. Toinen lähtöaine panostetaan alussa ja toista lähtöainetta (esim. kaasua) johdetaan jatkuvasti reaktorin läpi. 2
Nykyaikaiset prosessit pyritään ensisijaisesti toteuttamaan siten, että kaikki prosessilaitteet ovat jatkuvatoimisia. Prosessissa voi olla osa toteutettuna jatkuvatoimisina (esim. reaktorit) ja osa panosprosesseina (esim. kiteytys). Virtaus- ja panosreaktoreiden tyypilliset käyttöalueet Panos Pieni tuotanto (esim. lääke- ja maaliteollisuus) Monitoimireaktori (eri tuotteita tai saman tuotteen eri synteesivaiheita) Hidas reaktio Alhaisemmat investointikustannukset Korkeammat käyttökustannukset Voidaan saavuttaa korkea konversio Tuotteen laatu vaihtelee erästä toiseen Virtaus Suuri tuotanto (esim. petrokemia) Yksi määrätty käyttö Nopea reaktio Korkeammat investointikustannukset Alhaisemmat käyttökustannukset Useimmissa tapauksissa: Alhaisempi konversio (CSTR) Korkea konversio (putki) Tasainen tuotteen laatu 3
Lisäksi reaktorit voidaan ryhmitellä seuraavasti: yksifaasireaktorit eli niissä tapahtuu homogeeninen reaktio monifaasireaktorit eli niissä tapahtuu heterogeeninen reaktio neste neste kaasu neste kiinteä neste kiinteä kaasu kaasu kiinteä neste (esim. vedyn avulla hydrataan kiinteän katalyytin läsnäollessa nestettä) Lisäksi reaktorit jaetaan kahteen ryhmään: katalyyttinen ei katalyyttinen Reaktori voisi siten olla esim. katalyyttinen jatkuvatoiminen monifaasireaktori 4
Firmojen syntyjen taustalla tiettyjen kemikaalien valmistus ja reaktioteknisen osaamisen kehitys: Kemira: 1920 Valtion Rikkihappo- ja Superfosfaattitehdas (Lpr) 1957 Typpi Oy (typpihapon valmistus) 1972 näistä syntyi Kemira Oy DuPont (amerikkalainen): valmisti alun perin ruutia Delawaressa ryhtyi valmistamaan typpihappoa ruutiteollisuuden tarpeisiin myöhemmin johtava polymeerien valmistaja ja kehittäjä: Nylon Teflon jne Kemialliset reaktiot, reaktorit ja reaktiotekniikka keskeisiä seuraavilla teollisuudenaloilla: Kemianteollisuus Öljynjalostus ja petrokemianteollisuus Fluidized Catalytic Cracker (FCC) tärkein reaktori Metsäteollisuus Lukuisat sellukemikaalit Metalliteollisuus Masuunissa rautaoksidia ja koksia kuumennetaan kuuman ilman avulla, jolloin hiili hapettuu hiilidioksidiksi ja rautaoksidin pelkistyy raakaraudaksi. Elintarviketeollisuus Tyypillisiä entsymaattiset reaktiot, esimerkiksi sakkaroosin invertaasi glukoosiksi ja fruktoosiksi ja alkoholikäyminen Energiateollisuus Palamisreaktiot Ympäristötekniikka Jäteveden puhdistamot Lääketeollisuus Vaikuttavien aineiden valmistus 5
Kemiallisia reaktoreita on joka puolella: Polttoaineen palaminen auton moottorissa Autojen katalysaattorit Tupakan palaminen Perunan kypsyminen keitettäessä Ihminen Kemiallisessa reaktorissa aineet muuttuvat toisiksi: k CH OH CH C CH k CH O C CH 1 3 2 ( 32 ) 3 ( 33 ) 1 metanoli isobuteeni MTBE 6
Kemiallinen reaktiotekniikka, insinöörimielessä : Chemical reaction engineering Levenspiel: Chemical reaction engineering is that engineering activity concerned with the exploitation of chemical reactions on a commercial scale Chemical reaction engineering-käsitteen keksi professori van Krevelen vuonna 1956 Nykyään kemiallinen reaktiotekniikka on keskeinen osa kemistiinsinöörin koulutusta Tyypillinen kemiallinen prosessi (Levenspiel): yksikköoperaatiot reaktorit yksikköoperaatiot laitetekniikka reaktiotekniikka laitetekniikka esim. jauhatus, sekoitus... esim. putkireaktori esim. tislauskolonni, suodatus... 7
Kemiallisen reaktiotekniikan ja reaktoreitten merkityksestä Kemiallinen reaktori on kemiallisen prosessin sydän Kemiallisessa prosessissa raaka-aineista tehdään tuotekemikaaleja, joiden hinta on korkeampi: tuotto = tuotteiden hinta - raaka-aineiden hinta - kulut Usein reaktorin kustannus koko prosessin kustannuksista saattaa olla vain 10 %, mutta reaktorin toiminnalla on vaikutusta koko muuhun prosessiin. Pienikin parannus reaktorissa saattaa merkitä rahallisesti paljon. Hyvä tietää ja hyvä tietää reaktoreista: The definition of a chemical engineer is one who handles the engineering of chemical reactions. Fluidized catalytic cracker (öljynjalostus) on toistaiseksi tärkein kemiallinen reaktori, koska se tuottaa niin valtavan määrän kemianteollisuudelle tärkeitä raaka-aineita. 1800-luvulta lähtien tärkein kemianteollisuuden raaka-aine on hiljalleen muuttunut ja muuttumassa: kivihiili öljy maakaasu Suurin osa teollisista kemian prosesseista käyttää katalyyttejä ja prosessit koostuvat lukuisista reaktioista. Lämmön siirto ja hallinta ovat olennainen osa reaktorisuunnittelua. Suurin osa teollisuuden reaktoreista on monifaasireaktoreita. Hallitsemattomat kemialliset reaktiot reaktoreissa tai prosesseissa ovat suuri riskitekijä ja siksi otettava huomioon reaktoreitten suunnittelussa 8
Fluidized Catalytic Cracker (FCC) Tyypillinen reaktio FCC-reaktorissa FCC-reaktorin halkaisija voi olla jopa 10 m ja korkeus 20 m Fluidized Catalytic Cracker (FCC) 9
Texas City Disaster 16.04.1947 Kemiallisessa reaktiossa voi purkautua valtavasti energiaa 16.04.1947 Texas Cityn satamassa räjähti proomu, jossa oli ammoniumnitraattia 3300 tonnia Kukaan (paikalla olija) ei tiennyt, että lannoite voi räjähtää Räjähdyksen aiheutti tupakasta syttynyt tulipalo Kuolleita oli 600, 3500 loukkaantunutta Räjähdys kaatoi kävelijöitä 16 kilometrin päässä ja räjähdyksen ääni kuului 250 kilometrin päässä. Kaksi yli lentänyttä lentokonetta tippui. Yhdysvaltain historian pahin onnettomuus Kemisti-insinöörin haasteita ovat esimerkiksi: 1. Etsiä uusia parempia prosesseja vanhoja korvaamaan 2. Etsiä keinoja valmistaa tuotetta eri raaka-aineista 3. Vähentää tai poistaa haitallisia sivutuotteita 10
Reaktorisysteemien jaottelu panos (batch) puolipanos (semibatch) virtaus (flow) CSTR - sekoitusreaktori (Continuous Stirred Tank Reactor) osittain sekoittunut reaktori PFR - tulppavirtausreaktori (Plug Flow (tube) Reactor) 11
Kemiallinen tasapaino ja termodynamiikka HSC Chemistry NExOCTANE-prosessi 12