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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 n0 moli składnika a opuszcza go n moli to stopień przemiany wyniesie: po zróżniczkowaniu Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

Reaktor okresowy pracuje w warunkach nieustalonych !!!!! Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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. Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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: Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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. Reaktory półprzepływowe Pracują metodą kombinowaną w stosunku do metody okresowej i ciągłej. Reaktor przepływowy typu zbiornikowego pracujący w warunkach nieustalonych Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

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

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

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Idealny reaktor rurowy 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 dVR mamy: Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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. Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Reaktor zbiornikowy z idealnym mieszaniem Wprowadzone substraty zostają tuż przy wlocie całkowicie, jednorodnie wymieszane. Początkowe stężenie substratu c0 tuz przy wylocie osiąga wartość ck która jest stężeniem strumienia opuszczającego reaktor. równanie bilansowe przyjmuje postać: jeżeli wyrazimy je za pomocą stopnia przemiany to przyjmuje ono postać: Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Ponieważ ck1 = c02 to zmiana stężeń spowodowana dwoma szeregowo połączonymi reaktorami: Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

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

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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. Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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. Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

Inżynieria Chemiczna i Procesowa 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 Wykład nr 20 : Reaktory Chemiczne

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