راکتورهای شیمیایی و کاربرد در فرآیندهای کلراسیون
مقدمه
راکتور شیمیایی بهعنوان فضایی بسته شناخته میشود که در آن واکنشهای شیمیایی صنعتی انجام میشوند. طراحی راکتورها براساس سینتیک و ترمودینامیک واکنش تعیین میشود و مقیاس آنها میتواند از چند سانتیمتر مکعب (آزمایشگاهی) تا صدها تُن (مانند کورههای آهکپزی 25 متری) متغیر باشد. نقش اصلی راکتورها در صنایع شیمیایی و پتروشیمی، تأمین محیط کنترلشده برای انجام واکنشها با حداکثر بازده و حداقل هزینه است.
انواع رایج راکتورهای شیمیایی بر اساس جنس بدنه
فولادی (کربن استیل)
فولاد ساده یا کربن استیل ارزان و دارای استحکام مکانیکی بالاست. این راکتورها بهراحتی جوشکاری شده و برای دامنه وسیعی از دما و فشار قابل ساخت هستند.
- مزایا: قیمت پایین، مقاومت مکانیکی خوب و فراوانی در صنعت.
- معایب: مقاومت شیمیایی پایین؛ در محیطهای خورنده (مثلاً واکنشهای اسیدی یا کلردار) بهسرعت دچار خوردگی میشود. واکنشهای تهاجمی میتوانند باعث حل شدن فلزات از لایه داخلی فولاد شوند و فلزات سنگین به محصول منتقل گردند.
استنلس استیل
استنلس استیل (آلیاژ آهن-کروم-نیکل) در مقایسه با فولاد ساده مقاومت به خوردگی و استحکام بیشتری دارد.
- مزایا: مقاومت خوب در برابر خوردگی نسبت به فولاد ساده، دوام و سختی بالاتر و امکان کار در دماها و فشارهای بالا. همچنین بهدلیل شکلپذیری، میتوان راکتورهای پیچیده با ابعاد مختلف را ساخت.
- معایب: در برخی واکنشهای قوی خورنده (بهویژه در حضور کلر آبدار یا اسید) امکان خوردگی نقطهای و ترک ناشی از خوردگی وجود دارد. کلر محلول (یا مرطوب) بسیار خورنده است و تماس طولانیمدت با استنلس استیل میتواند باعث پیتینگ و ترکهای ناشی از تنش شود. همچنین هزینه بالای آلیاژهای با پایداری بالا و حساسیت به دمای بسیار بالا از دیگر معایب آن است.
شیشهای (تمام شیشه)
راکتورهای شیشهای تکجداره معمولاً در مقیاس آزمایشگاهی استفاده میشوند.
- مزایا: شفافیت بالا امکان پایش آسان واکنش را فراهم میکند. مقاومت شیمیایی بسیار خوبی در برابر اکثر اسیدها و بازها دارند. معمولاً قیمت ساخت آنها پایین و سبک هستند.
- معایب: شکننده بوده و در برابر ضربه و تغییرات سریع دما حساساند. معمولاً محدودیت دمای عملیاتی حدود 100–200 درجه سانتیگراد دارند و توان تحمل فشار بالا را ندارند.
گلاسلاین (فولاد با پوشش لعاب شیشه)
این راکتورها ترکیبی از مقاومت مکانیکی فولاد و مقاومت شیمیایی شیشه هستند. سطح داخلی راکتور با لعاب شیشهای پوشیده میشود.
- مزایا: مقاومت عالی در برابر خوردگی اکثر مواد شیمیایی (اسیدها، بازها، آب و ترکیبات کلردار) و بیاثر بودن شیشه داخلی. سطح غیرچسبنده داخلی باعث سهولت شستشو و جلوگیری از آلودگی محصول میشود. از آنجا که پوشش لعاب خنثی است، احتمال آزاد شدن فلزات زیرلایه در محصول واکنش بسیار کاهش مییابد. کاربرد گلاسلاین دوام و سختی بالایی را در شرایط خورنده فراهم میکند.
- معایب: نسبت به ضربههای مکانیکی و شوک حرارتی حساس است و ممکن است ترک بخورد محدودیت دمایی و فشاری معمولاً تا چند دهم بار و تا~ °C 200و هزینه ساخت بالاتر نسبت به فولاد ساده از دیگر معایب آن است
پلاستیکی FRP و ترموپلاستیکها
راکتورهای پلاستیکی معمولاً از کامپوزیت فیبرشیشهای (FRP) یا پلاستیکهای مهندسی مانند PTFE, PVDF ساخته میشوند.
- مزایا: وزن سبک و هزینه نسبتا پایین. مقاومت بسیار خوبی در برابر خوردگی دارند؛ بهویژه FRP تقریباً در برابر رطوبت، مواد شیمیایی و خورندهها پوسیده نمیشود. عایق الکتریکی و حرارتی هستند، که گاهی مزیت بهشمار میآید.
- معایب: تحمل فشار و دمای کمی دارند معمولا زیر °C 100در دماهای بالا. حساسیت به اشعه ماوراءبنفش و تغییر شکل تدریجی در دماهای بالا دارند. همچنین بسیاری از ترموپلاستیکهای معمول مانند پلیپروپیلن در مواجهه با کلر (خشک یا مرطوب) بهسرعت تخریب میشوند.
فرآیندهای کلراسیون و ویژگیهای خطرناک آن
کلراسیون واکنشهای شیمیایی مهمی است که در تولید مواد واسطهای، دارویی و ترکیبات کلردار (مانند کلروهیدرین، اسیدهای کلردار و …) کاربرد دارد. این واکنشها معمولاً گرمازا هستند و در صورت کنترل ناکافی میتوانند به واکنش فرار (Runaway) یا حتی انفجار در فاز گاز منجر شوند. از سوی دیگر، گاز کلر (Cl₂) خود بسیار سمی و خورنده است. کلر خشک در دمای محیط ممکن است فولاد را مستقیماً خورده نکند، اما در حضور آب یا رطوبت، به اسید هیدروکلریک و هیپوکلروس اسید تبدیل شده و خورندگی شدیدی ایجاد میکند. انتشار گاز کلر یا اسیدهای حاصل میتواند آسیب جدی به تجهیزات و خطرات جدی برای انسان بههمراه داشته باشد، لذا کنترل دما، فشار و شرایط واکنش در کلراسیون اهمیت حیاتی دارد.
دلایل استفاده از راکتور گلاسلاین در کلراسیون
با توجه به خطرات بالا، راکتورهای گلاسلاین گزینه مطلوبی برای واکنشهای کلراسیون هستند. مهمترین دلایل عبارتند از:
- مقاومت شیمیایی عالی: پوشش لعاب شیشهای درونی مقاومت بسیار بالایی در برابر اسیدها، بازها و گاز کلر دارد. بنابراین، خوردگی تجهیزات و آلودگی محصول به فلزات به حداقل میرسد.
- جلوگیری از خوردگی: ضخامت و یکپارچگی لعاب از ایجاد نقاط خورده در فولاد زیرین جلوگیری میکند. حتی در صورت تماس با کلر مرطوب نیز، لعاب مانع از تماس مستقیم کلر با فولاد میشود.
- ایمنی و پاکیزگی بالا: سطح غیرچسبنده گلاسلاین، از نشستن و تجمع رسوب یا مواد واکنش جلوگیری کرده و شستشوی آسان را ممکن میسازد. این موضوع ضمن حفظ خلوص محصول، خطر واکنشهای ناخواسته را کاهش میدهد.
- دوام بالا: راکتورهای گلاسلاین عملا با محیطهای خورنده سازگار شده و طول عمر عملیاتی بالایی دارند. انتخاب این راکتورها موجب کاهش نیاز به تعمیرات مکرر و توقفهای اضطراری میشود.
مقایسه عملکرد راکتورهای مختلف در مواجهه با کلر
عملکرد مواد مختلف در حضور کلر و ترکیبات کلردار متفاوت است:
- فولاد کربنی: در شرایط خشک، تماس کوتاهمدت با گاز کلر ممکن است مشهود نباشد، اما اگر حتی اندکی آب یا رطوبت وجود داشته باشد، خوردگی شدید آغاز میشود. بهعبارتی، فولاد ساده تحت شرایط کلردار خورده میشود و نشتی زودهنگام رخ میدهد.
- استنلس استیل: اگرچه نسبت به فولاد ساده مقاومتر است، اما در کلر آبدار و محلولهای کلردار نیز مستعد خوردگی نقطهای و ترکهای ناشی از تنش است. سطح استنلس در محلولهای کلردار خورده شده و باعث افت ایمنی و کیفیت محصول میشود.
- شیشه/گلاسلاین: هردو تقریبا در برابر کلر بیاثرند. گاز کلر با شیشه واکنش نمیدهد و پوشش شیشهای لعاب نیز فولاد زیرین را محافظت میکند. بدین ترتیب، این جنسها تغییر فازی ناشی از کلر و اسیدها را تحمل میکنند.
- پلاستیک :FRP پلیمرها بسته به نوع رزین متفاوتند؛ بهطور کلی FRP استاندارد (رزین و فایبرگلاس) در شرایط خورنده مقاوم است:. با این حال، پلاستیکهای معمول صنعتی مانند پلیپروپیلن یا پلیاتیلن در کلر با اثرات تخریبی شدید مواجه میشوند. به همین دلیل در تماس مستقیم با کلر خالص از آنها استفاده نمیشود، مگر اینکه از گریدهای مخصوص یا لاینرهای تفلونی بهره گرفته شود.
نتیجهگیری و توصیهها
در محیطهای بسیار خورنده مانند فرآیندهای کلراسیون، انتخاب راکتور مناسب حیاتی است. منابع صنعتی و مطالعات مهندسی نشان میدهند راکتورهای گلاسلاین به دلیل ترکیب مقاومت شیمیایی فوقالعاده و دوام بالا، معمولاً بهترین گزینه محسوب میشوند. سایر گزینهها (فولادی یا پلاستیکی) در این شرایط به سرعت دچار خوردگی یا شکاف میشوند، مگر آنکه از پوششها و آلیاژهای ویژه یا مواد خاص استفاده گردد. در نتیجه، برای کلراسیون و فرآیندهای کلردار شدیدا توصیه میشود از راکتور گلاسلاین استفاده شود تا ایمنی و کارایی فرآیند تضمین گردد. منابع صنعتی استاندارد این دیدگاه را تأیید میکنند که گلاسلاین هزینه اولیه بیشتری دارد اما هزینههای اصلاح و توقف ناشی از خوردگی را به شکل چشمگیری کاهش میدهد