Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory chemiczne.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory chemiczne."— Zapis prezentacji:

1 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory chemiczne

2 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktor chemiczny jest to, w najprostszym ujęciu, naczynie przystosowane do przeprowadzania w nim określonej reakcji chemicznej. W skali przemysłowej, konstrukcja reaktora i parametry zachodzącego w nim procesu powinny zapewniać uzyskanie optymalnych wyników ekonomicznych. Na proces chemiczny zachodzący w reaktorze nakładają się, w różnym stopniu i różnych proporcjach, poznane poprzednio procesy przenoszenia masy, pędu i energii

3 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Podstawowe pojęcia i zależności związane z przebiegiem reakcji chemicznej: Jeżeli równanie stechiometryczne reakcji przebiegającej w reaktorze zapiszemy w postaci: substratyprodukty współczynniki stechiometryczne to szybkość reakcji względem dowolnego składnika odniesienia, czyli ilość tego składnika wytworzona lub rozłożona w jednostce czasu i jednostce objętości reaktora wyniesie:

4 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne objętość reaktoraczas liczba moli Jeżeli reakcja zachodzi bez zmiany objętości możemy do równania wprowadzić stężenie składnika odniesienia: po zróżniczkowaniu objętość mieszaniny reagującej

5 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Szybkość reakcji możemy zapisać w postaci: W analizie reaktorów chemicznych stosuje się często pojecie stopnia przemiany Jest to stosunek liczby moli jednego lub więcej substratów które uległy przemianie w reaktorze do ich początkowej liczby. Jeżeli do reaktora wprowadzamy n 0 moli składnika a opuszcza go n moli to stopień przemiany wyniesie: po zróżniczkowaniu

6 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Możemy zatem szybkość reakcji wyrazić za pomocą stopnia przemiany: jeżeli reakcja jest izochoryczna V R = V to stopień przemiany można wyrazić za pomocą stężeń: po zróżniczkowaniu

7 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Szybkość reakcji można zapisać w postaci: Innym pojęciem używanym w inżynierii reaktorów jest rzędowość reakcji Jest to suma wykładników potęg stężeń występujących w równaniach szybkości reakcji. reakcja pierwszorzędowa reakcja drugorzędowa

8 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory chemiczne klasyfikuje się najczęściej według następujących kryteriów: Metoda pracy reaktora a)Reaktory okresowe b)Reaktory przepływowe c)Reaktory półprzepływowe Charakter fazowy reagującego układu a)Reaktory homogeniczne b)Reaktory heterogeniczne c)Reaktory kontaktowe (szczególny przypadek b) Warunki temperaturowe: a)Reaktory izotermiczne b)Reaktory adiabatyczne c)Reaktory politermiczne Właściwości konstrukcyjne a)Reaktory zbiornikowe b)Reaktory rurowe c)Reaktory wieżowe d)Reaktory półkowe e)Reaktory fluidyzacyjne f)Reaktory specjalne

9 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory Okresowe Są to różnego typu zbiorniki i autoklawy zaopatrzone najczęściej w mieszadła i wymienniki ciepła. Do reaktora załadowuje się całą masę substratów, a po pewnym czasie usuwa się z nich całą zawartość mieszaniny reakcyjnej Reaktor okresowy pracuje w warunkach nieustalonych !!!!! Reaktory okresowe stosuje się do reakcji zwykłych i katalizowanych, biegnących przede wszystkim w środowisku ciekłym, a także dla reakcji typu ciecz – ciało stałe.

10 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory przepływowe Reaktory przepływowe pracują w warunkach ustalonych !!! Do reaktora przepływowego dopływają ciągłym strumieniem substraty i ciągłym strumieniem odpływa mieszanina reakcyjna. Wszystkie parametry mieszaniny reakcyjnej są funkcją miejsca, a nie czasu:

11 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory przepływowe zbiornikowe Naczynia w postaci zbiorników o stosunku długości do średnicy bliskim jedności, Zaopatrzone w mieszadła. Reagenty są wprowadzane i wyprowadzane wąskim Strumieniem. Mieszadło zapewnia w całym zbiorniku stałą temperaturę, ciśnienie i skład. Naczynia w postaci zbiorników o stosunku długości do średnicy bliskim jedności, Zaopatrzone w mieszadła. Reagenty są wprowadzane i wyprowadzane wąskim Strumieniem. Mieszadło zapewnia w całym zbiorniku stałą temperaturę, ciśnienie i skład. Reaktory półprzepływowe Pracują metodą kombinowaną w stosunku do metody okresowej i ciągłej. Reaktor przepływowy typu zbiornikowego pracujący w warunkach nieustalonych

12 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory idealne Przyjmujemy pewne upraszczające założenia co do pracy reaktora Zakładamy rodzaj i charakter przepływu reagentów Idealny reaktor okresowy Idealny reaktor zbiornikowy Idealny reaktor rurowy Reaktory idealne

13 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Idealny reaktor okresowy Jest to słuszne tylko przy założeniu idealnego wymieszania w reaktorze. Jest to słuszne tylko przy założeniu idealnego wymieszania w reaktorze. Równanie projektowe reaktora  bilans masowy wlotwylot

14 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Idealny reaktor okresowy wlot=wylot=0 Ilość reagenta A powstająca lub Znikająca podczas reakcji Ilość reagenta A powstająca lub Znikająca podczas reakcji AKUMULACJA Równanie projektowe

15 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Stężenie zależy od czasu a nie od miejsca

16 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Przyjmijmy, że w reaktorze rurowym o stałym przekroju, podczas przepływu reagentów bez mieszania, przebiega w warunkach izotermicznych, bez zmiany objętości nieodwracalna reakcja chemiczna pierwszego rzędu r = k * c. Wprowadzając strumień Q równanie bilansu przyjmuje postać: wprowadzając stopień przemiany, dla różniczkowej wielkości dV R mamy: Idealny reaktor rurowy

17 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Całkując to wyrażenie w granicach 0 – V R oraz 0 – x z otrzymamy: średni czas przebywania [s] Wyrażając szybkość przemiany reakcji stopniem przemiany : otrzymamy:

18 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Zależność stopnia przemiany reakcji prowadzonej w ciągłym reaktorze rurowym od czasu można wyrazić jako: lub:

19 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne W idealnym reaktorze rurowym dyfuzja poosiowa nie występuje, więc czas przebywania każdej z cząstek jest równy średniemu czasowi przebywania. Cała masa przemieszcza się przez reaktor przepływem tłokowym. W rzeczywistości występują odstępstwa od idealnego modelu.

20 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktor zbiornikowy z idealnym mieszaniem Wprowadzone substraty zostają tuż przy wlocie całkowicie, jednorodnie wymieszane. Początkowe stężenie substratu c 0 tuz przy wylocie osiąga wartość c k która jest stężeniem strumienia opuszczającego reaktor. równanie bilansowe przyjmuje postać: jeżeli wyrazimy je za pomocą stopnia przemiany to przyjmuje ono postać:

21 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Po przekształceniach możemy wyprowadzić wzór na średni czas przebywania w reaktorze przepływowym z mieszadłem: z definicji stopnia przemiany mamy (po przemnożeniu przez Q): podstawiamy do równania bilansu

22 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne i otrzymujemy: pierwsza liczba Damkohlera stopień przemiany wynosi :

23 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Porównując przebieg stężeń w reaktorze zbiornikowym z mieszadłem i w reaktorze rurowym oraz zależną od tych stężeń szybkość reakcji, można stwierdzić iż: średnia szybkość reakcji w reaktorze zbiornikowym z mieszadłem jest stała w czasie i w miejscu, ale mniejsza od średniej szybkości reakcji w reaktorze rurowym. Objętość reaktora zbiornikowego z mieszadłem niezbędna do osiągnięcia zadanego stopnia przemiany będzie większa niż reaktora rurowego !!!!! Reaktory zbiornikowe z mieszadłem można łączyć szeregowo w kaskadę

24 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Produkt końcowy z reaktora n-1 jest substratem kolejnego n reaktora. z pierwszego reaktora w kaskadzie z drugiego reaktora w kaskadzie

25 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Ponieważ c k1 = c 02 to zmiana stężeń spowodowana dwoma szeregowo połączonymi reaktorami:

26 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne a uogólniając to na kaskadę m reaktorów: Pamiętając że reakcja jest pierwszego rzędu r = kc

27 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Jeżeli kaskada o łącznej objętości V R składa się z m przepływowych reaktorów zbiornikowych każdy o równej objętości V R / m to uzyskany w kaskadzie stopień przemiany:

28 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Ponieważ : to: Czyli kaskada złożona z nieskończonej ilości reaktorów przepływowych o sumarycznej objętości V R działa jak reaktor rurowy z przepływem tłokowym

29 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory kontaktowe Reaktory z nieruchomą warstwą kontaktu mogą być typu wieżowego lub rurowego i są usytuowane najczęściej w pozycji pionowej. Reaktory wieżowe zaopatrzone są w półki na których rozłożony jest katalizator stały w warstwach o różnej grubości. Katalizator ma postać ziaren o różnych kształtach i wymiarach. Reaktory kontaktowe rurowe zbudowane są z rury wypełnionej ziarnami katalizatora. Reaktory kontaktowe stosuje się najczęściej do reakcji w fazie gazowej. Reaktory kontaktowe mają najważniejsze znaczenie w przemyśle chemicznym. Produkcja: amoniaku, metanolu, tlenku etylenu, bezwodnika ftalowego Reaktory kontaktowe mają najważniejsze znaczenie w przemyśle chemicznym. Produkcja: amoniaku, metanolu, tlenku etylenu, bezwodnika ftalowego

30 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

31 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory kontaktowe są utworzone na ogół z jednej rury lub większej liczby rur zawierających nieruchomą warstwę kataliztora. Dla reakcji silnie egzotermicznych

32 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Pojedyncza rura wypełniona katalizatorem Projektowanie opiera się na dwóch podejściach: Modele pseudohomogeniczne Przyjmują, że warstwa stałego katalizatora i gazu tworzy hipotetyczny homogeniczny układ  ciągłość parametrów. Pomijamy zewnętrzny i wewnętrzny transport masy i ciepła. Stężenia i temperatura są wyrównane. Proces biegnie w obszarze kinetycznym.

33 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Modele heterogeniczne Podstawą jest zróżnicowanie fazy gazowej i fazy stałej. Rozpatrujemy transport ciepła i masy w układzie co prowadzi do układu równań bilansowych. Modele te są bliższe rzeczywistości.

34 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory fluidyzacyjne Reaktor przepływowy przystosowany do prowadzenie reakcji w złożu fluidalnym fazy stałej nazywany jest reaktorem fluidyzacyjnym. Stan fluidalny uzyskuje się przez odpowiedni przepływ gazu. Metodę fluidyzacji stosuje się do procesów spalania, utleniania rud, kalcynacji, pirolizy oraz reakcji katalitycznych

35 Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Zalety: 1.Stała temperatura będąca skutkiem intensywnego mieszania w złożu. 2.Stały spadek ciśnienia w reaktorze 3.Stosowanie katalizatora drobnoziarnistego a więc o najwyższej efektywności 4.Możliwość ciągłej wymiany i regeneracji katalizatora 5.Prosta budowa 1.Stała temperatura będąca skutkiem intensywnego mieszania w złożu. 2.Stały spadek ciśnienia w reaktorze 3.Stosowanie katalizatora drobnoziarnistego a więc o najwyższej efektywności 4.Możliwość ciągłej wymiany i regeneracji katalizatora 5.Prosta budowa Wady: 1.Duże starty katalizatora, powstałe przez ścieranie się ziaren w złożu 2.Duże działanie erozyjne na ściany reaktora 3.Pojawianie się pęcherzy w złożu 1.Duże starty katalizatora, powstałe przez ścieranie się ziaren w złożu 2.Duże działanie erozyjne na ściany reaktora 3.Pojawianie się pęcherzy w złożu


Pobierz ppt "Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne Reaktory chemiczne."

Podobne prezentacje


Reklamy Google