Karıştırma Reaktörler

Kimyasal reaktörler bir kimyasal reaksiyonun gerçekleştirildiği proses ekipmanlarıdır. Kimya mühendisliğinde proses tasarımı ve analizinde sık kullanılan klasik bir ünite prosesidir. Bir kimyasal reaktörün tasarımı, kimya mühendisliğinin birden fazla unsurunun kullanılmasını gerektirir. Reaktörler proseste ham maddelerin ürünlere dönüştüğü oldukça temel bir ekipman olduğundan proses tasarımı açısından büyük önem arz eder. Kimya mühendisleri bir reaksiyonun net bugünkü değerini en üst düzeye çıkarmak için reaktörler tasarlarlar.

Çalışma prensibine göre reaktör çeşitleri

Kimyasal reaktörler çalışma prensiplerine göre sınıflandırıldığında üç ana gruba ayrılırlar. Bunlar kesikli, yarı kesikli ve sürekli reaktörlerdir.

Kesikli reaktörler

Kesikli reaktörler en temel reaktör çeşididir. Kesikli reaktörler genelde küçük ölçekli üretim faaliyetlerinde ve geliştirilmekte olan yeni proseslerin test edilmesinde kullanılmaktadır. Aynı zamanda pahalı ürünlerin üretiminde ve sürekli operasyona çevrilmesi zor olan proseslerde de kullanılırlar. Pigment, boyar madde, polimer üretimi; süt sanayisi, içecek endüstrisi ve ilaç endüstrisi kesikli reaktörün kullanıldığı alanlardan bazılarıdır.

Kesikli reaktörler yatışkın olmayan hâlde çalışırlar. Reaksiyonun gerçekleştiği süre boyunca reaktöre herhangi bir ürün giriş çıkışı yoktur. Ham maddeler (reaktanlar) reaktöre beslenerek reaksiyon başlatılır ve ürünün alınması için belli bir süre beklenir. Sıcaklık ve basıncın kontrol edilmesi, kesikli reaktörler için önemlidir. Gerekli ham maddeler reaktöre tepesinden boşaltılarak istenilen ürün elde edilebilir. Reaksiyon devam ettikçe sıcaklık ve basınçta değişiklik yapılabilir ve yeni maddeler reaktöre eklenebilir.

Kesikli reaktörlerin çeşitli avantajları ve dezavantajları vardır. Reaktanlar kesikli reaktörde uzun süreler boyu bekletilebilir ve bu sayede yüksek ürün dönüşümü elde edilir. Henüz test aşamasında olan ürünlerin üretiminde ve küçük ölçekli faaliyetlerde temizlenmesi ve bakımı kolaydır. Laboratuvar ölçeğinde kullanımında aynı anda birden fazla parametrenin (sıcaklık, basınç vs.) ölçümünün kolaylığı, kesikli reaktörlere kullanım avantajı sağlar. Ancak reaktörün temizlenmesi ve bakımı için ayrılan süreler üretimi kesintiye uğratır ve büyük ölçekte kullanımında bakımı zordur. Her bir parti ürün için gereken işçilik masrafı fazladır.

Yarı kesikli reaktörler

Yarı kesikli reaktörlerin çalışma prensibi hem kesikli hem sürekli reaktörlere benzer. Yarı kesikli bir reaktöre sürekli ham madde beslenirken oluşan ürün sürekli alınmak yerine kesikli bir şekilde alınabilir. Ham madde belli aralıklarla kesikli bir biçimde beslenirken, ürünün sürekli alındığı durum da yarı kesikli bir işlemdir.Yarı kesikli reaktörlerin en önemli kullanım alanlarından birisi, reaksiyonlardaki seçiciliği artırmaktır. Sıvı fazda gerçekleşen birden fazla reaksiyonda istenmeyen ürünler oluşabilir. İstenmeyen ürünün oluşmasının engellenmesi için ham madde beslemesi değiştirilebilir; bir reaktan sürekli beslenirken bir diğer reaktanın da kesikli bir şekilde sisteme beslenmesi sağlanabilir.

Yarı kesikli reaktörler genellikle tank şeklindedir ve görünüm açısından kesikli reaktörler veya sürekli karıştırmalı tank reaktörlere benzerler. Sıcaklık kontrolünün çok iyi sağlanması ve birden fazla sayıda gerçekleşen reaksiyonlarda istenmeyen yan ürünlerin oluşumunun engellenebilmesinden dolayı kullanıma elverişli bir reaktör çeşididir. Ancak büyük ölçekli üretime elverişsiz olması, yüksek işçilik maliyetleri ve reaksiyon analizinin zor olması yarı kesikli reaktörlerin kullanımını sınırlandırmaktadır.

Sürekli reaktörler

Sürekli çalışmakta olan reaktörler neredeyse her zaman yatışkın hâl koşullarında kesinti olmaksızın çalışır. Sürekli ham madde girişi ve ürün çıkışı olduğundan ve sabit operasyon koşullarında (sıcaklık, basınç vs.) tutulduğundan sürekli reaktörler büyük ölçekli endüstriyel üretimlerde kullanıma uygundur. Temel olarak iki tip sürekli reaktör vardır. Bunlar sırasıyla sürekli karıştırmalı tank reaktör ve piston akışlı reaktördür. Dolgu yataklı reaktörler prensip olarak piston akışlı reaktörlerle aynıdırlar, temel fark katalizör bulundurmalarıdır.

Sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR)

Sürekli karıştırmalı tank reaktörün (CSTR) iç kısmının kontrolü. Şaftta bulunan pervane kanatları karıştırmaya yardım eder. Fotoğrafın altında, tankın yanal yüzeyinde bulunan bölme plakası da karıştırmaya yardımcı olmaktadır.

Sürekli karıştırmalı tank reaktörler (continuous stirred tank reactor), sürekli ham madde girişi ve ürün çıkışının olduğu ve reaksiyonun bir tank içerisinde gerçekleştirildiği reaktör çeşididir. Genelde sıvı hâlde gerçekleşen reaksiyonlar için kullanılırlar. Reaksiyonun reaktörün içinde her yerde eşit düzeyde gerçekleşebilmesi için bir karıştırıcıya sahiptirler. Sürekli karıştırmalı tank reaktörler yatışkın hâlde çalıştırıldığından ve karıştırıcıyla "tam" karışımın sağlandığı kabulü yapıldığından, reaksiyon hızının, sıcaklığın ve derişimin zamana ve mekâna bağlı olmadığı kabulleri de yapılarak tasarım eşitlikleri reaktör hacmine bağlı olarak türetilir.

Sürekli karıştırmalı reaktörler endüstrinin pek çok alanında kullanılmaktadırlar. Yağların sabunlaştırılmasında, stiren gibi birçok polimerin üretiminde, biyogaz, biyohidrojen ve biyodizel üretiminde, fermantasyonda ve diğer pek çok endüstriyel uygulamada kullanılırlar.

Sürekli karıştırmalı tank reaktörlerin kullanımında belli avantaj ve dezavantajlar vardır.

Avantajları şu şekilde sıralanabilir:

·         Sürekli karıştırma sayesinde sıcaklık içerideki sıvıda eşit dağıldığından sıcaklığın kontrolü kolaydır.

·         Karıştırmadan dolayı ekzotermik reaksiyonlarda sıvı içinde belli noktalarda aşırı sıcaklık artışı olasılığı düşer.

·         Büyük ölçekli üretim faaliyetlerinde ekonomiktir.

·         Birbirlerine paralel bağlı kullanıldıklarında düşük mertebeli reaksiyonlar için kullanışlılardır.

·         Öte yandan dezavantajları da aşağıda sıralandığı gibidir:

·         Karıştırma için gerekli enerji, tank reaktörlere ek işletme maliyeti getirir.

·         Diğer sürekli çalışan reaktörlere kıyasla reaktörün birim hacmi başına düşen ürün dönüşümü daha azdır.

·         İstenen operasyon koşulları için hacimlerinin büyük olması gerekebilir.

·         Eğer çıkış akımının boru hattı reaktörde doğru konumlandırılmamışsa ürünün içine reaktan karışabilir.