I reattori chimici devono attuare lo scambio di calore necessario, portare a contatto le fasi presenti e consentire un tempo di permanenza necessario perché la reazione avvenga
I reattori, pur nelle loro diversità possono essere classificati in due grandi categorie:
a) reattori batch ( in discontinuo)
b) reattori in continuo
Reattori in discontinuo
Nei reattori batch i reagenti sono messi in un recipiente in cui vengono mescolati, spesso sotto riscaldamento e, dopo che la reazione ha avuto luogo, segue un raffreddamento e i prodotti sono scaricati ed eventualmente purificati. Tale tipo di reattore è la derivazione, su grande scala, del pallone di laboratorio.
Il reattore discontinuo è quindi il dispositivo più adeguato per le piccole produzioni. Essendo, nella sua schematizzazione ideale, un sistema perfettamente miscelato, la concentrazione dei reagenti è la stessa in ogni suo punto e quindi al suo interno non esistono gradienti di concentrazione. Nel sistema discontinuo il volume di reazione rimane costante e sia la velocità sia la conversione variano in funzione del tempo. I reattori batch sono di solito utilizzati per produrre diverse sostanze utilizzando lo stesso dispositivo. Esempi di processi in cui è usato tale tipo di reattore includono la produzione di coloranti e margarina.
Reattori in continuo
Un’alternativa ai processi in discontinuo è quella di alimentare i reagenti in contino nel reattore in un dato punto e prelevare i prodotti in un altro punto dopo che la reazione ha avuto luogo. Il flusso dei reagenti alimentati deve essere uguale a quello dei prodotti raccolti. Il principio di funzionamento di un reattore in continuo non è utilizzato su piccola scala in laboratorio, contrariamente a quanto avviene nei reattori in discontinuo, ma un esempio ci viene dato da un addolcitore delle acque. L’acqua fluisce attraverso un tubo contenente una resina a scambio ionico e poi viene rilasciata. I reattori in continuo sono usati per produzioni di grandi quantità di sostanza e possono operare per diversi mesi senza sia necessario arrestare il loro funzionamento.
Uno dei vantaggi di tale tipo di reattori consiste nel fatto che essi forniscono prodotti di buona qualità in quanto i parametri di reazione ( temperatura, pressione, tempo di permanenza nel reattore) sono controllati meglio di quanto non avvenga in un reattore in discontinuo. Tuttavia tali reattori sono finalizzati ad un solo tipo di reazione e raramente possono essere utilizzati per altre.
Nell’ambito dei reattori che operano in continuo vi sono:
Reattore tubulare o a pistone
In un reattore tubulare i fluidi ( gas e/o liquidi) giungono ad alte velocità. Non appena i reagenti pervengono nel reattore essi sono convertiti nei prodotti della reazione. A causa delle alte velocità i prodotti non riescono a tornare indietro per diffusione. Quindi non si verifica un mescolamento con conseguente diminuzione di reazioni collaterali e relativo aumento della resa di reazione. In questo sistema si verifica una variazione continua delle concentrazioni dal punto di immissione dei reagenti al punto di efflusso del prodotto. La velocità di reazione decresce nel senso del flusso della massa di reazione in quanto nel punto di immissione la concentrazione dei reagenti è maggiore e va decrescendo a mano a mano che ci si allontana da esso.
Reattore a letto fisso
In un reattore a letto fisso vengono fatte avvenire reazioni in cui il catalizzatore è mantenuto in uno spazio solidale con il reattore stesso. Tale tipo di reattore è spesso utilizzato quando i reagenti sono gassosi e passano sul catalizzatore spesso finemente suddiviso onde aumentare la superficie di contatto.
La produzione di acido solforico in cui viene usato il pentossido di vanadio (V) quale catalizzatore o la produzione di ammoniaca in cui è usato il ferro quale catalizzatore sono esempi in cui è usato questo reattore. Un ulteriore esempio è costituito dal reforming della nafta in cui è utilizzata, quale catalizzatore, una lega di platino e renio su un supporto di allumina.
Reattore a letto fluido
In un reattore a letto fluido un flusso di gas o liquido passa attraverso il letto solido e riempiendo lo spazio interparticellare. Ad una certa velocità di flusso il solido inizia ad espandersi e la superficie superiore del letto assume un profilo mobile. Ciò garantisce un eccellente mescolamento dei reagenti con il catalizzatore. Vi è infatti un contatto tra le molecole gassose e il catalizzatore stesso con una alta velocità di reazione.
La sintesi del polietilene e quella del polipropilene costituiscono esempi di reazione realizzate in tale tipo di reattore. In entrambi i casi il letto fluido garantisce che la temperatura sia mantenuta il più uniforme possibile all’interno del reattore per cui lo smaltimento del calore di reazione risulta agevolato.
Reattore ad agitazione in continuo
In tale tipo di reattore il volume della massa di reazione è mantenuto costante mediante alimentazione di un flusso continuo di reagenti con prelievo, di uguale portata, del prodotto di reazione. La massa è continuamente agitata e si instaura un regime stazionario per cui la velocità di reazione rimane costante nel tempo.