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Reattori chimici

Generalità e proprietà dei principali reattori chimici

Un reattore chimico è un qualsiasi contenitore in cui viene fatta avvenire una reazione chimica. Così, un semplice bicchiere, al cui interno viene svolta una reazione chimica, può essere considerato un reattore.

Nell'ambito dell'ingegneria chimica, un reattore chimico è un'apparecchiatura realizzata al fine di determinare condizioni idonee alla trasformazione di certi composti (reagenti) in altri di maggior pregio (prodotti).

A seconda del ciclo di lavorazione e quindi alle condizioni di flusso, ireattori chimici possono essere classificati in continui e discontinui:

  • i reattori chimici continui operano 24 ore al giorno, per 365 giorni all'anno, a condizioni praticamente sempre costanti; vengono effettuate fermate solo per lavori straordinari di manutenzione.
  • i reattori chimici discontinui operano secondo cicli di carico-reazione-scarico.

Tipi di reattori chimici

Di seguito sono elencati e descritti i principali tipi di reattori chimici.

1) Reattori a tino

Di solito a basso rapporto altezza/diametro, rientrano nella categoria dei reattori a tino: recipienti aperti o chiusi di forma e dimensioni qualsivoglia, vasche, scambiatori di calore, ecc.

Almeno uno dei componenti dei reattori a tino è in fase liquida, alla quale possono essere associate fasi solide e/o gassose. Agitatori, getti di gas compresso, flussi di bolle di gas o di vapore, pompe esterne di riciclo, pompe interne di circolazione forzata, dispositivi a circolazione naturale tengono in agitazione il sistema, rendendone uniforme la temperatura, attivando gli scambi di calore con le pareti del reattore e di calore e materia tra le fasi che costituiscono il sistema.

Di norma tale agitazione è così intensa da rendere uniformi temperatura e composizione in operazioni sia discontinue sia continue. Il reattore è attrezzato con condotti di carico e scarico per reagenti e prodotti in fase solida, liquida, o gassosa, con circuiti di riscaldamento e/o raffreddamento interno o alla parete, secondo il tipo e le dimensioni dei dispositivi di agitazione impiegati.

2) Reattori tubolari

Il diametro è dell'ordine di alcuni centimetri e il rapporto lunghezza/diametro è molto elevato. Reagenti e prodotti, allo stato gassoso, liquido, o misto gas-liquido, fluiscono con continuità e con moto che, di solito, è turbolento.

La miscelazione longitudinale del sistema reagente è molto limitata, spesso trascurabile; gli scambi termici radiali nel reattore sono intensi. Il reattore, attrezzato per realizzare intensi scambi di calore con l'esterno, si sviluppa lungo le pareti di un forno, è immerso in un bagno termostatico, oppure è incamiciato ed è riscaldato o raffreddato con correnti fluenti parallelamente al suo asse.

Reattore tubolare

Il reattore, di norma, ha una sezione d'ingresso per l'alimentazione dei reagenti e una di uscita per lo scarico dei prodotti; tuttavia in certe costruzioni sono previste alimentazioni distribuite.

3) Reattori adiabatici a letto fisso

Hanno diametro dell'ordine di decine di centimetri fino ad alcuni metri e sono a moderato rapporto altezza/diametro. Il catalizzatore, di dimensioni di alcuni millimetri, viene bloccato tanto superiormente quanto inferiormente da piastre forate o da dispositivi similari in modo da formare un letto fisso.

Questi reattori trattano in prevalenza correnti liquide o gassose, ma talvolta anche miste con flusso contemporaneo verso il basso di gas e liquidi. I reagenti sono alimentati con continuità, indifferentemente dall'alto verso il basso o viceversa e nonostante il limitato rapporto altezza/diametro, la miscelazione longitudinale per la presenza del catalizzatore è generalmente limitata.

Tanto con processo endotermico quanto con processo esotermico l'adiabaticità è sostanzialmente determinata, a parte gli eventuali isolamenti esterni, dalla stessa resistenza al flusso termico laterale opposta dal catalizzatore ammassato nel reattore.

4) Reattori a letto fluido

Questi reattori, il cui diametro varia da alcuni decimetri ad alcuni metri, trattano in continuo correnti gassose o liquide in presenza di solidi, i quali agiscono da catalizzatori o partecipano al processo come reagenti.

Reattori a letto fluido

Nelle operazioni catalitiche il solido, ha sempre granulometria inferiore al millimetro; in quelle con solido reattivo il materiale ha granulometria più ampia, superiore a diversi millimetri; con materiali grossolani la piastra distributrice (porosa, forata, o a campanelle) sostiene il solido, impedendone la caduta nel circuito del gas fluidizzante.

5) Reattori a colonna

Con questa denominazione si comprendono tutte quelle apparecchiature utilizzate nelle operazioni combinate di reazione e scambio di materia tra fasi liquide e gassose, cioè nei processi di assorbimento chimico: colonne a piatti forati, a valvole, a campanelle, a impilaggi, o equivalenti dispositivi di contatto.

6) Reattori a fiamma

Trattano in continuo sistemi gassosi o sistemi solido-gas, con solidi prodotti nel corso di reazioni ad alta temperatura o iniettati nella fiamma come polveri. La fiamma è prodotta a mezzo di bruciatori per combustione degli stessi reagenti liquidi o gassosi che intervengono nel processo.

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