化学反応器

化学反応器は 、化学反応が起こる密閉された空間である。 ^{[1] [2] [3] [4]}化学工学では、一般的に化学反応を実行するために使用されるプロセス容器であると理解されており、^[5]化学プロセス分析における古典的な単位操作の1つである。 化学反応器の設計は、化学工学のさまざまな側面を扱います。 化学エンジニアは、特定の反応の正味現在価値を最大化するように反応器を設計します。 設計者は、反応が目的の出力製品に向かって最高の効率で進行し、購入と運用に必要な金額が最小限で、製品の収量が最大になるようにします。 通常の運用費用には、エネルギー入力、エネルギー除去、原材料費、人件費などが含まれます。 エネルギーの変化は、加熱または冷却、圧力を上げるためのポンプ、摩擦による圧力損失、または撹拌の形で起こります。

化学反応工学は、化学反応器とその設計、特に化学速度論を産業システムに 応用する化学工学の分野です。

最も一般的な化学反応器の基本的なタイプは、タンク（反応物が全体の容積で混合される）とパイプまたはチューブ（層流反応器とプラグフロー反応器の場合） です。

どちらのタイプも連続リアクターまたはバッチリアクターとして使用でき、どちらも 1 つ以上の固体 (試薬、触媒、または不活性物質) を収容できますが、試薬と生成物は通常、流体 (液体または気体) です。連続プロセスのリアクターは通常、定常状態で稼働しますが、バッチプロセスのリアクターは必然的に過渡状態で稼働します。リアクターが初めてまたはシャットダウン後に稼働すると、過渡状態になり、主要なプロセス変数が時間とともに変化します。

さまざまな化学反応器の最も重要なプロセス変数を推定するために使用される理想化されたモデルが 3 つあります。

• バッチリアクターモデル、
• 連続撹拌タンク反応器モデル（CSTR）および
• プラグフローリアクターモデル（PFR）。

現実世界の多くの原子炉は、これらの基本タイプの組み合わせとしてモデル化できます。

主なプロセス変数は次のとおりです。

• 滞留時間（τ、小文字のギリシャ語タウ）
• 体積（V）
• 温度（T）
• 圧力（P）
• 化学種の濃度（C ₁、C ₂、C ₃、... C _n）
• 熱伝達係数（h、U）

管状反応器は、多くの場合、充填床になります。この場合、管またはチャネルには粒子またはペレット（通常は固体触媒）が含まれます。^[6]液相または気相の反応物は、触媒床を通ってポンプで送られます。^[7]化学反応器は流動床になることもあります。流動床反応器を参照してください。

反応器内で起こる化学反応は、発熱反応（熱を放出する）と吸熱反応（熱を吸収する）の場合があります。タンク型反応器には、内容物を冷却または加熱するために、冷却または加熱ジャケット、または容器壁の外側に巻き付けられた冷却または加熱コイル（チューブ）が付いている場合があります。一方、管状反応器は、反応が強く発熱する場合は熱交換器のように、反応が強く吸熱する場合は炉のように設計できます。^[8]

最も単純なタイプのリアクターはバッチリアクターです。材料がバッチリアクターに投入され、反応は時間とともに進行します。バッチリアクターは定常状態に達しないため、温度、圧力、容量の制御が必要になることがよくあります。そのため、多くのバッチリアクターにはセンサーと材料の入出力用のポートがあります。バッチリアクターは通常、醸造、パルプ製造、酵素の生産など、小規模生産や生物材料との反応に使用されます。バッチリアクターの一例として、圧力リアクターがあります。

CSTR では、1 つ以上の液体試薬がタンク リアクターに導入され、通常はインペラで撹拌されて、反応器からの流出物が除去される間に試薬が適切に混合されます。タンクの容積をタンクの平均体積流量で割ると、空間時間、つまり 1 つのリアクター容積の液体を処理するのに必要な時間が得られます。化学反応速度論を使用すると、反応の予想される完了率を計算できます。CSTR の重要な側面をいくつか示します。

• 定常状態では、流入する質量流量は流出する質量流量と等しくなければなりません。そうでない場合、タンクは溢れるか空になります (過渡状態)。リアクターが過渡状態にある間、モデル方程式は差分質量バランスとエネルギーバランスから導出する必要があります。
• 反応は、最終（出力）濃度に関連付けられた反応速度で進行します。これは、濃度が反応器全体で均一であると想定されるためです。
• 多くの場合、複数の CSTR を直列に操作すると経済的に有利です。これにより、たとえば、最初の CSTR をより高い試薬濃度で操作し、より高い反応速度を実現できます。このような場合、プロセスの実装に必要な総資本投資を最小限に抑えるために、リアクターのサイズを変えることができます。
• 無限個の無限小CSTRを直列に動作させることはPFRと同等であることが実証されている。 ^[9]

CSTR の動作は、連続式理想撹拌タンク反応器 (CISTR) の動作によって近似またはモデル化されることがよくあります。CISTR で実行されるすべての計算では、完全な混合が前提となります。滞留時間が混合時間の 5 ～ 10 倍の場合、この近似はエンジニアリングの目的に有効であると見なされます。CISTR モデルは、エンジニアリング計算を簡素化するためによく使用され、研究用反応器の説明にも使用できます。実際には、特に混合時間が非常に長くなる可能性がある工業用サイズの反応器でのみ、このモデルに近づくことができます。

ループリアクターは、物理的には管状リアクターに似ていますが、CSTR のように動作するハイブリッドタイプの触媒リアクターです。反応混合物は、冷却または加熱用のジャケットに囲まれた管のループ内を循環し、原料の流入と生成物の流出が連続的に発生します。

PFR（連続管状反応器（CTR）とも呼ばれる）では、^[10] 1 つ以上の流体試薬がパイプまたはチューブを通してポンプで送られます。試薬が PFR を通過すると化学反応が進行します。このタイプの反応器では、反応速度の変化によって、通過距離に応じて勾配が形成されます。PFR の入口では速度が非常に速いですが、試薬の濃度が低下し、生成物の濃度が増加すると、反応速度は遅くなります。PFR の重要な側面は次のとおりです。

• 理想化された PFR モデルでは、軸方向の混合がないものと想定されています。つまり、「プラグフロー」という用語が示すように、リアクターを通過する流体のどの要素も、その上流または下流の流体と混合しません。
• 試薬は、入口以外の場所から PFR に導入することができます。これにより、より高い効率が得られたり、PFR のサイズとコストが削減されたりする可能性があります。
• PFR は、同じ容積の CSTR よりも理論的な効率が高くなります。つまり、同じ空間時間 (または滞留時間) が与えられた場合、反応は CSTR よりも PFR で高い完了率で進行します。これは、可逆反応では必ずしも当てはまりません。

産業上の関心のあるほとんどの化学反応では、反応が 100% 完了するまで進行することは不可能です。反応速度は、システムが動的平衡 (正味の反応または化学種の変化が発生しない) に達するまで、反応物が消費されるにつれて低下します。ほとんどのシステムの平衡点は 100% 完了未満です。このため、残留試薬または副産物を目的の製品から分離するために、蒸留などの分離プロセスが化学反応器の後に続くことがよくあります。これらの試薬は、ハーバー法など、プロセスの開始時に再利用されることがあります。場合によっては、平衡に近づくために非常に大きな反応器が必要になるため、化学技術者は部分的に反応した混合物を分離し、残りの反応物をリサイクルすることを選択する場合があります。

層流状態では、チューブの中心を通過する流体が壁面の流体よりもはるかに速く移動するため、プラグフローの仮定は非常に不正確になります。連続振動バッフルリアクター(COBR) は、流体の振動とオリフィスバッフルの組み合わせによって完全な混合を実現し、層流状態でプラグフローを近似できるようにします。

セミバッチリアクターは、連続およびバッチの入力と出力の両方で操作されます。たとえば、発酵槽には、培地と微生物のバッチが装填され、継続的に二酸化炭素が生成されますが、これは継続的に除去する必要があります。同様に、ガスを液体と反応させることは通常困難です。これは、同量の液体と反応するために大量のガスが必要になるためです。この問題を克服するには、ガスを連続的に供給して、液体のバッチに泡立てることができます。一般に、セミバッチ操作では、1つの化学反応物質をリアクターに装填し、2番目の化学物質をゆっくりと追加するか (たとえば、副反応を防ぐため)、相変化によって生成されたガス、沈殿した固体、水溶液中に形成される疎水性生成物などの生成物を継続的に除去します。

触媒反応器はプラグフロー反応器として実装されることが多いですが、その分析にはより複雑な処理が必要です。触媒反応の速度は、試薬が接触する触媒の量と反応物の濃度に比例します。固相触媒と液相試薬の場合、これは露出面積、試薬の拡散効率と生成物の拡散効率、および混合の有効性に比例します。通常、完全な混合は想定できません。さらに、触媒反応経路は、触媒に化学的に結合した中間体を伴う複数のステップで発生することが多く、触媒への化学的結合も化学反応であるため、速度論に影響を及ぼす可能性があります。触媒反応は、物理的な輸送効果により見かけの速度論が実際の化学速度論と異なる場合、 いわゆる偽の速度論を示すことがよくあります。

触媒の挙動も考慮すべき事項です。特に高温の石油化学プロセスでは、触媒は焼結、コークス化、被毒などのプロセスによって不活性化されます。

触媒反応器の一般的な例としては、自動車の排気ガスの有毒成分を処理する触媒コンバーターが挙げられます。ただし、ほとんどの石油化学反応器は触媒反応器であり、ほとんどの工業用化学品製造を担っており、非常に大量の例としては、硫酸、アンモニア、改質油/ BTEX（ベンゼン、トルエン、エチルベンゼン、キシレン）、流動接触分解などがあります。 さまざまな構成が可能です。不均一触媒反応器を参照してください。

ウィキメディア・コモンズには、化学反応器に関連するメディアがあります。