innehåll - startsidaweb.abo.fi/fak/tkf/tek/kurser/ir/ir_presentationer_1old.pdf · slurry reaktor...
TRANSCRIPT
Innehåll
1 Inledning2 Stökiometri och kinetik3 Homogena reaktorer4 Katalytiska tvåfasreaktorer5 Katalytiska trefasreaktorer6 Gas-vätskereaktorer7 Reaktorer med en reaktiv fast fas
Bilagor 1-8
Reaktorer
Råmaterial ProdukterSatsvist arbetssättKontinuerligt arbetssättKlassificering på basen av antalet faser Gas, Vätska, Fast, Katalysator
Kemin i den industriella processen bestämmer valet av reaktortyp
Process
Physicaltreatment steps
Chemical treatmentsteps
Physicaltreatment steps
ProductsRawmaterials
Recycle
Process
H2
Aceton
Separations kolonn
Q
T0Iso-propanol
Iso-propanol --> aceton + H 2
A --> A + A1 2 3
V xT
I
Reaktor
Kemisk reaktorReaktor UtIn
StrömningOmblandningTillstånd (gas, vätska)
KinetikHur snabt reaktionen skerVad kommer ut ur reaktornJämviktMass och värmeöverföring
Ut = f(in, kinetik, hur ämnena kommer i kontakt med varandra)
Projektering av en kemisk reaktor
Preliminära studier Litteraturstudier -> syntesrutter, katalysator
... Processbetingelser, temperatur, tryck .... Stökiometri, termodynamik
Projektering av en kemisk reaktorLaboratorieexperiment Om syntesrutten inte är känd -> ta reda på med
experiment Oftast är syntesrutten dock känd Reaktionshastigheten är dock ofta okänd ! Att känna till reaktionshastigheten är en viktig
faktor vid dimensioneringen av reaktorer Långsammare reaktion -> större reaktor eller
längre uppehållstid krävs
Projektering av en kemisk reaktor
Laboratorieexperiment ger också Fysikaliska egenskaper, densitet, vikositet Reaktionsentalpier Diffusions koefficienter Mass och värmeöverförings parametrar
Projektering av en kemisk reaktor
Analys av experimentella resultat Hastighetekvationen kan ställas upp Matematisk reaktormodell Estimering av
reaktionshastighetskonstanterna massöverföringsparametrar
Projektering av en kemisk reaktor
Simulering av reaktorn Med den matematiska modellen kan olika
reaktortyper jämföras och den bästa kan väljas
Fler experiment i lab reaktorn kan behövas för att verifiera modellen
Planeringen av industriella reaktorer baserar sig i dag på datorsimuleringar
Projektering av en kemisk reaktor
Pilot-anläggning i halvstor skala Dyrt att bygga Ta hellre reda på alla parametrar med lab
försök och förbättra simuleringsmodellen
Anläggningen byggs Processen kan optimeras Nya lab försök ger mer data för
optimeringen
Vad behövs modellering till
Laboratoriereaktorn kan inte direkt förstoras till industriell storlek
MatematiskModell
Reaktorplanering
Reaktorn klarTiden slutPengarna slut
Ide’
Experiment
ParameterEstimering
Optimering
Reaktormodelleringens principer
Kinetiskmodel
Mass ochvärme överförings
modell
Modeller för strömningen
REAKTOR MODELL
Reaktormodelleringens principer
Stökiometri
Kinetik ochtermodynamik
Reaktion & diffusion
Reaktor modell
Kostnadsfördelning
timelaboratorypilot
plant-construction
production
+
-
mon
ey /
euro
Reaktortyper
Homogena reaktorer En fas, eventuellt också en homogen katalysator)Tubreaktor (kolvströmningsreaktor)Tankreaktor (Återblandningsreaktor)SatsreaktorHalvkontinuerlig
Reaktortyper
Heterogena katalytiska tvåfasreaktorer Gas eller vätskefas + fast katalysator reaktion på katalysatorytan
Packad bäddMoving bäddFluidiserad bädd
Reaktortyper
Heterogena katalytiska trefasreaktorer gas, vätska + fast katalysator reaktion på katalysatorytan
Packad bädd (Trickle bädd)BubbelkolonnTankreaktorFluidiserad bäddSlurry reaktorReaktiv katalytisk destillationskolonn
Reaktortyper
Gas-Vätskereaktorer gas och vätskefas + eventuellt homogen
katalysator reaktion i vätskefasenAbsorptionskolonnBubbelkolonnTankreaktorReaktiv destillationskolonn
Reaktortyper
Vätske-Vätske reaktor Två vätskefaser + eventuell homogen
katalysator Reaktion i någondera eller båda faserna
KolonnreaktorMixer-Settler reaktor
Reaktortyper
Fluid fastfasreaktor Två eller tre faser, gas och/eller vätska +
reaktiv fast fas Reaktion mellan gas eller vätskefasen och
den fasta fasenPackad bäddFluidiserad bäddFörbränningsprocesser
Stökiometri och kinetikÖnskade reaktionerOönskade reaktioner (bireaktioner)Om flera reaktioner --> Sammansatta reaktioner (multiple reactions)
Exempel Metanolsyntes
CO + 2H2 CH3OH ( önskad reaktion)
CO2 + H2 CO + H2O ( bireaktion)
Parallell reaktion i avseende på Väte
Konsekutiv i avseende på CO
Stökiometri och kinetikp-cresol +Cl2 -> monoklor-p-cresol + HClmono-p-cresol + Cl2 -> diklor-p-cresol + HCl
parallellt i avseende på klor
konsekutivt i avseende på mellanprodukten monoklorparakresol
reaktionerna har olika reaktionshastigheter
Stökiometri
Reaktanter -
Produkter +
∑i=1
N
ν i ai=0
νT a=0
StökiometriCO + 2H2 CH3OH
CO2 + H2 CO + H2O-1 CO + 2 H2 - 1CH3OH = 0
- 1CO2 -1 H2 + 1CO + 1H2O = 0
a=[COH 2
CH 3OHCO2H 2O
]ν=[−1 −2 1 0 0
1 −1 0 −1 1 ]T
(1)
(2)
Reaktionskinetik
Vid kemisk reaktion förändras komponenternas ämnesmängderreaktanter konsumerasprodukter uppstår
Reaktionshastigheten R (mol/s m3) anger hur många mol substans som genereras per tidsenhet Elementär reaktion eller icke elementär reaktion
Genereringshastigheten ri
r i=ν i RFör metanolsyntesreaktionen fås
rH2 = - 2 R och rCH3OH = +1 R
I system med flere samtidiga reaktioner fås komponentens genereringshastighet genom addition av bidragen för varje reaktion
rH2 = -2R1 - 1R2
rCH3OH = +1 R1 + 0 R2
r i=∑j=1
S
ν ij R j
Hastighetsuttrycket
2A + B 2C
Ifall reaktionen är elementär fås reaktionshstigheten
R=kcA2 cB−k−cC
2
Reaktionen förutsätter en kollision mellan två A och en B molekyl
reaktionshastigheten är proportionell mot komponenternas koncentrationer
De stökiometriska koefficienternas absoluta belopp uppstår som exponenter i hastighetsuttrycket
Reaktionshastighetens temperaturberoendeArrhenius
k=Ae−E A /RT
k=A' T b e−E A /RT
Också frekvensfaktorn A kan vara temperaturberoende
Aktiveringsenergin
Jämviktskonstanten och hastighetskonstanterna
Följande samband gällerK c=
kk−
R=kcA2 cB−k−cC
2
Vid kemisk jämvikt är reaktionshastigheten R = 0
K c=cC
2
cA2 cB
ReaktionstermodynamikJämviktskonstanten beroende av temperaturen
d ln K c∑ ν
dT=ΔU r
0
RT 2och av
−ln K c∑ ν =ΔU r
0
RT−ΔS r
0
R
ΔU r0
ΔS r0
den av reaktionen orsakade förändringi den inre energinförändring i den molära entropin
Vätskefassystem Jämviktskonstanten bestäms vanligen
experimentellt
Gasfassystem Jämviktskonstanten kan beräknas ifall man känner
Reaktionstermodynamik
ΔS r0 ΔH r
0
00.20.40.60.81
1.2
0 2 4 6 8 10
ReaktionstermodynamikReaktionsentalpin ΔH r
0
vid referenstemperaturen T0 ofta 298 Kberäknas ur bildningsentalpierna
ΔH r0 T 0 =∑
iν iH fi
0
Bildningsentalpier finns tabellerade i litteraturen t.ex. Reid,Prausnitz, PolingThe Properties of Gases and LiquidsReaktionsentalpin fås nu med
ΔH r0 T =ΔH r
0 T 0∑i∫T 0
T
ν iC pmi dt
De molära värmekapaciteterna Cpmi finnssom temperaturfunktioner
ReaktionstermodynamikEkvation 13 utnyttjas
d ln K p∑ ν
dT=ΔH r
0
RT 2
integration ger
ln K p T =ln K p T 0 ∫T 0
T ΔH r0
RT 2dt
Homogena reaktorer
En fas Vätska eller gas
Satsreaktor
Tubreaktor
Tankreaktor
Satsreaktorn
Funktion reaktorn fylls med reaktionsblandningen
uppvärmning till reaktionstemperatur
reaktionen får pågå tills önskad omsättningsgrad har uppnåtts
reaktorn töms
Satsreaktorn
Vanligen för vätskefasreaktionerI laboratorieskala också för att bestämma kinetiken för gasfasreaktioner
Industriell användning finkemikalier (organiska vätskefasreaktioner läkemedel, färgämnen, pesticider,herbicider
Satsreaktor
Satsreaktor i laboratorieskala
Parallella satsreaktorer för test av katalysator
Satsreaktorn, konstruktion
Bör beaktas vid val av reaktorkärl Produktionskapaciteten (volymen) Arbetstemperaturen Trycket Konstruktionsmaterialet (ex. syrafast) Rengöring Omrörning av reaktorinnehållet Värmeöverföringsegenskaperna (effektiv kylning
behövs för exotermiska reaktioner)
SatsreaktornKylning
Alltför hög temperaturstegring kan leda till förgasning av reaktorinnehållet olämplig produktdistribution explosion
Kylsystem Mantel Kylslinga Yttre värmeväxlare
Satsreaktorn FördelarFlexibel kan användas för flere olika reaktioner
Uppehållstiden kan lätt varieras Temperaturstyrning högre temperatur i början av reaktionen för att
försnabba reaktionen lägre temperatur i slutet av reaktionen för bättre
jämviktslägeScale-up En reaktionstid i laboratorieskala motsvarar direkt
en reaktionstid i stor skala ifall betingelserna för övrigt är de samma, svårt att uppnå t.ex. Samma omblandningseffektivitet som i en liten lab reaktor.
Omblandning i satsreaktor
Satsreaktorn Fördelar
För konsekutiva och balandade reaktioner ger satsreaktorn en högre produktomsättning och högre halt av önskade mellanprodukter än återblandningsreaktorn
Tävlar i effektivitet med kolvströmningsreaktorn
SatsreaktornNackdelar
Produktionskapaciteten försämras dock av tiden det går åt att tömma och fylla reaktorn
Det icke stationära arbetssättet kan leda till problem med temperaturregleringen och produktkvalitetenSårt att uppnå samma omlandnings betingelse I stor skala som I laboratorie skala
SatsreaktorHalvkontinuerlig drift
En eller några av reaktanterna matas in i reaktorn under reaktionens gång Typiskt vid starkt exoterma reaktioner för
att undvika häftiga temperatur-stegringar Produktdistributionen kan optimeras A+B --> R , R + B -->S Utbytet av mellanprodukten B kan
maximeras genom att B tillsätts i an sats av A
Återblandningsreaktor
Reaktionsblandningen fullständigt omblandadProduktflödet har samma koncentration som reaktions-blandningen
ÅterblandningsreaktorKonstruktion
Propelleromrörare (fig 3.3)
Multistage reaktor (fig 3.4)
Återcirkulation av produktflödet med cirkulationspump (fig 3.5) (praktiskt vid gasfas reaktioner)
CSTR
CSTR
ÅterblandningsreaktornFördelar
Arbetar kontinuerligt vid konstanta betingelserJämn produktkvalitetGod värmeöverföring då ny reaktionsmassa hela tiden tillförsFavoriserar den reaktion som har den lägsta reaktionsordningen 2A--> R A --> S
Vid autokatalytiska reaktioner där reaktionshastigheten stiger med produktkoncentrationen fås en högre omsättningsgrad än med kolv-strömningsreaktor
ÅterblandningsreaktorNackdelar
Arbetar vid låg koncentrationsnivå av reaktanterna, på produktblandningens koncentrations-nivåLägre omsättningsgrad än kolvsträmnings och satsreaktor
Seriekoppling ger högre omsättningsgrad men kapital-kostnaderna ökar
Tubreaktor
Gas och vätskefasreaktionerOm tublängden är lång jämfört med tubdiametern och strömnings-hastigheten är hög försvinner dispersions och diffusionseffekterna i axiall riktning och kolvströmning antas råda
Tubreaktor
Tubreaktor
Tubreaktor i laboratoriet
Utveckling av dieselavgaskatalysator
Tubreaktor med parallella tuber
TubreaktorFördelar
Högsta omsättningen och högsta halter av mellanprodukter vid de vanligaste typer av reaktionskinetik
Enkel konstruktion
TubreaktorNackdelar
StabilitetenHot spot uppstår lätt vid exotermiska reaktioner
Temperatur och koncentration i satsreaktor
Kylsystem för reaktorer