راکتور شیمیایی یا واکنشگاه شیمیایی وسیله‌ای است که در آن واکنش‌های شیمیایی انجام می‌شود و طی آن مواد اولیهٔ خام به محصولات تبدیل می‌شوند.

طراحی و بهره‌برداری از رآکتورهای شیمیایی از جمله مهم‌ترین وظایف متخصصین صنایع شیمیایی از جمله مهندسین شیمی است. طراحی رآکتور شیمیایی نیازمند شناخت درست از واکنش شیمیایی انجام گرفته در رآکتور است و برای این منظور تسلط بر علومی چون ترمودینامیک شیمیایی، سینتیک شیمیایی و ریاضیات ضروری است.

راکتور شیمیایی یکی از بخش های اصلی و اساسی هر واحد صنعتی شیمیایی است که در این دستگاه واکنش یا واکنش های شیمیایی مختلفی مانند ترکیب شدن، تجزیه شدن و یا تبدیل جهت تولید محصول مورد نظر انجام می گیرد.

راکتور های شیمیایی که انواع مختلفی از نظر نوع و کارایی دارند ممکن است در جایگاه های مختلفی از یک واحد صنعتی شیمیایی مورد استفاده قرار گیرد. غالبا در هر واحد صنعتی شیمیایی ابتدا مواد ورودی به واحد را به عنوان مواد خام طی یکسری از مراحل فیزیکی خاص مانند فیلتراسیون و یا اختلاط که در آن واحد طراحی گشته است آماده واکنش های شیمیایی جهت تولید محصول مورد نظر می نماید. سپس جهت تغییرات شیمیایی بر روی مواد خام راکتور های شیمیایی وظیفه اصلی این قسمت را به دوش می کشند.

در داخل راکتورهای شیمیایی واحد، یک یا چندین واکنش خواسته و یا ناخواسته بر روی مواد خام صورت می گیرد تا محصول اصلی بوجود آید. هر چند در شرایط واقعی محصول یا محصولات جانبی به عنوان خروجی های هر راکتور شیمیایی جزء جدایی ناپذیر این تجهیز فرایندی است که در این گونه موارد عملیات تخلیص و جداسازی های فیزیکی و شیمیایی به کمک تجهیزاتی مانند برج های جداسازی در مراحل بعدی راکتور در واحد شیمیایی انجام می گیرد تا محصول قابل عرضه در بازار، حاصل گردد.

راکتورهای شیمیایی می‌توانند در ابعاد بزرگ و برای مصارف صنعتی یا در ابعاد کوچک جهت کاربردهای آزمایشگاهی و تحقیقاتی ساخته و تولید شوند. همچنین جنبه‌های اقتصادی نیز بر طراحی بهینهٔ رآکتور تأثیرگذار است. از جمله صرف هزینهٔ کمتر برای طراحی رآکتور کاراتر و کوچکتر، صرف انرژی کمتر برای تولید محصول بیشتر، رساندن مواد اولیه به بیشترین درصد تبدیل و بالا بردن راندمان فرایند و ... .

در طراحی رآکتورها پارامترهای زیادی از جمله:زمان اقامت، حجم(V)، دما(T)، فشار(P)، غلظت گونه‌های شیمیایی( ۱,C۲,C۳,... ,Cn)، ضریب انتقال حرارت (U, h)، سرعت واکنش (r) و ... ، دخالت دارند. رآکتورهای شیمیایی بر اساس نوع واکنش و موارد کاربرد در اشکال مختلف و با جزئیات خاص طراحی می‌شوند که پیچیدگی آن‌ها را زیاد می‌کند. اما می‌توان رآکتورها را در چند دستهٔ بزرگ و کلی از جمله رآکتورهای پیوسته و ناپیوسته، رآکتورها سیال بستر یا ثابت بستر، رآکتورهای لوله‌ای و مخزنی یا رآکتورهای همگن و ناهمگن، طبقه‌بندی کرد. رفتار رآکتورها معمولاً با معادلاتی موسوم به معادلهٔ رآکتور مطرح می‌شود که برای گونه‌های مختلف رآکتور متفاوت بوده و رابطهٔ ریاضیاتی بین پارامترهای مؤثر در رآکتور را بیان می‌کند.

- انواع راکتورهای شیمیایی

تقسیم بندی های گوناگونی برای راکتور های شیمیایی بر اساس شاخص های متفاوتی صورت گرفته است.
راکتورهای شیمیایی بر اساس شاخص نوع و تعداد فازهایی که واکنش در آن صورت می گیرد، به صورت زیر تقسیم بندی می شوند.

۱) راکتورهای تک فازی:

در این رآکتورها واکنش در فاز گاز یا در فاز مایع انجام می شود.

۲) راکتورهای چند فازی:

در این رآکتورها واکنش میان فازهای گاز و مایع یا میان دو فاز مایع یا میان فازهای سیال و جامد انجام می شود.

اما در تقسیم بندی دیگری از راکتورها، بر حسب نحوه کار به سه گروه کلی تقسیم بندی می شوند.

رآکتورهای ناپیوسته (Batch Reactors)

رآکتورهای نیمه پیوسته (Semi-batch Flow Reactors)

رآکتورهای پیوسته(Continuous/Steady state flow reactor)

راکتورهای ناپیوسته

در راکتور هایی که حین انجام واکنش، ماده ای به راکتور وارد نشده و از آن نیز خارج نمی شود، سیستم ناپیوسته نامیده می شود. به عبارتی دیگر، در این نوع از راکتور شیمیایی، ابتدا مواد اولیه وارد راکتور می شود و پس از انجام واکنش در زمان مشخص، محصول یا محصولات و موادی که واکنش نداده اند از راکتور خارج می شوند. پس از تخلیه محصولات از راکتور راکتور جهت انجام واکنش دوره های بعدی پاکسازی و مهیا می شود.

راکتورهای ناپیوسته نسبت به انواع دیگر راکتورها نیاز به سیستم های کنترلی کمتری دارند و ساختار ساده تری نیز دارند. مصرف این نوع از راکتورها در مواردی است که انجام واکنش مورد نظر به مدت زمان نسبتا طولانی نیاز دارند تا واکنش گر ها فرصت انجام واکنش را در یک راکتور ناپیوسته داشته باشند.

راکتورهای نیمه پیوسته

این نوع از راکتورها دارای انواع مختلفی هستند، دارای فقط ورودی و یا خروجی ماده هستند. راکتورهای نیمه پیوسته دارای همان محدودیت های راکتور ناپیوسته هستند اما از نظر مزایا نسبت به راکتورهای ناپیوسته، دارای کنترل مناسب تر حرارت و واکنش های نامطلوب می باشد. بدین صورت که می توان با وارد نمودن تدریجی یکی از اجزای واکنش دهنده با غلظت پایین از ایجاد محصولات نامطلوب جلوگیری نمود. از موارد استفاده راکتورهای نیمه پیوسته می توان به کاربرد آن برای واکنش های دو فازی نام برد که گاز به صورت حباب وارد فاز مایع شود.

دو نوع غالب از ترکیب مواد در راکتور نیمه پیوسته وجود دارد که در نوع اول راکتور از یکی از مواد اولیه پر شده و ماده یا مواد اولیه دیگر به آن اضافه می شوند. در نوع دیگر مواد اولیه به طور همزمان وارد راکتور می شوند و تا پایان واکنش هیچ ماده ای از راکتور خروج پیدا نمیکند.

راکتورهای پیوسته

در راکتورهای پیوسته، به طور مداوم ورودی ماده اولیه و خروجی محصول وجود دارد و از آن جایی که در این حالت ترکیب درصد ورودی و خروجی با زمان تغییر نمی کند که اصطلاحا حالت پایا (Steady State) گفته می شود.

زمانیکه لازم باشد تا حجم زیادی از محصول در زمانی کم تولید شود، راکتورهای پیوسته بهترین گزینه برای انجام واکنش هستند. در این نوع از راکتور ها، دستگاه های و ابزار های کمکی و کنترلی بسیاری مورد نیاز است تا بتوان کنترل کیفیت محصولات واکنش را به بهترین نحو انجام داد.

جدا از دو تقسیم بندی اصلی بالا، راکتورهای لوله ای و مخزنی و همچنین بستر سیال و بستر ثابت انواعی از راکتورهای زیر مجموعه تقسیم بندی های ذکر شده در بالا هستند که بسته به نیاز هر فرایند از هر کدام از آنها مورد استفاده قرار میگیرد.

1-Choudhary, Ankur, Ashish Kumar, and Sudhir Kumar. "Techno-economic analysis, kinetics, global warming potential comparison and optimization of a pilot-scale unheated semi-continuous anaerobic reactor in a hilly area: For north Indian hilly states." Renewable Energy 155 (2020): 1181-1190.

2-Giorla, A., Michaela Vaitová, Yann Le Pape, and P. Štemberk. "Meso-scale modeling of irradiated concrete in test reactor." Nuclear Engineering and Design 295 (2015): 59-73

3-D’hooge, Dagmar R., Paul HM Van Steenberge, Marie-Françoise Reyniers, and Guy B. Marin. "The strength of multi-scale modeling to unveil the complexity of radical polymerization." Progress in Polymer Science 58 (2016): 59-89.