reaktori i bioreaktori · 2020. 10. 16. · 2 reaktori i bioreaktori – podjela i osnovi tipovi...

Vanja Kosar, izv. prof.

REAKTORI I BIOREAKTORI

PODJELA I OSNOVNI TIPOVI KEMIJSKIH REAKTORA

2

Reaktori i bioreaktori – Podjela i osnovi tipovi kemijskih reaktora

Kemijski reaktor

mjesto ili prostor u kome se odigrava neka kemijska reakcija. Takav ograničeni dio prostora općenito se naziva procesnim prostorom.

sa stajališta kemijskog inženjerstva kao tehničke znanosti, kemijski reaktor je procesni aparat u kome se svrhovito odigrava i vodi kemijska reakcija u cilju dobivanja određenog korisnog produkta.

3


Kemijsko reakcijsko inženjerstvo

Sve pojave i svi procesi, bilo kemijski, bilo fizički,koji se odigravaju unutar reaktora ili kojima reaktorizmjenjuje masu i energiju s okolinom

Nalaženje veze između brzina fizičkih procesaprijenosa tvari i topline i brzine kemijske reakcije,eksperimentalne metode određivanja ukupnebrzine ili metode istraživanja utjecaja pojedinogprocesa na ukupnu brzinu itd.

4


Podjela reaktora

1.) Reaktori koji su zatvoreni sustavi

5


2.) Reaktori koji su otvoreni sustavi

6


Reaktor u stacionarnom stanju

. 0d veldt

7


Reaktor u nestacionarnom stanju

. 0d veldt

8


Reaktor s idealnim miješanjem

Proces s usredotočenim parametrima

9


Reaktori s idealnim strujanjem

1 2 3( ) ( ) ( )

A z A z A zC C C

Proces s raspodijeljenim parametrima

11


Protočni kotlasti reaktor u nestacionarnom radu (PKRn)

razlikuje se od PKR po tome što količina tvari na ulazu nije jednaka količini tvari na izlazu iz reaktora

vrijednosti barem nekih veličina stanja funkcije vremena

u reaktoru se može na početku reakcije unijeti određena količina jednog reaktanta, a zatim kontinuirano uvoditi drugi reaktant

kloriranje benzena u kapljevitoj fazi

pogodan je za različite reakcije većinom u kapljevitom sustavu na nižim tlakovima i temperaturama.

12


BILANCE MASE, MNOŽINE TVARI I TOPLINE

Masa unijeta u reaktor u dif. vremenu u dif. volumen.

Masa iznijeta iz reak-tora u dif. vremenu iz dif. volumena.

=

Akumulacija mase u dif. vremenu u dif. volumenu.

Množina tvari A unijeta u dif. vremenu u dif. volumen reaktora.

Množina tvari A iznijeta u dif. vremenu iz dif. volumena reaktora.

Množina tvari A nastala (nestala) kemijskom reakcijom u dif. vremenu u dif. volumenu reaktora.

= Akumulacija tvari A u dif. vremenu i dif. volumenu reaktora.

Opća bilanca mase

Bilanca množine tvari A

13

Bilanca topline

Količina topline dovedena u dif. vremenu u dif. volumen reaktora.

Količina topline odvedena u dif. vremenu iz dif. volumena reaktora.

Količina topline nastala (nestala) kemijskom reakcijom u dif. vremenu u dif. volumenu reaktora.

=Akumulacija topline u dif. vremenu i dif. volumenu reaktora.


+ Toplina koja se prenosi u okolinu

14

Matematički opis općih bilanci množine tvari i topline

Bilanca množine tvari (komponente A)

AA A A

Cu C J rt

tCA je član za akumulaciju tvari u sustavu, reaktoru i s njime je

izražena nestacionarnost

član kojim se predočuje prijenos tvari kroz reaktorkonvektivnim načinom

AJ

je član kojim se opisuje prijenos tvari difuzijom.


Au C

15


Bilanca topline

j j pj j j jjTM C c u T H r T J H Qt

j pjJTM C ct

je član kojim se definira akumulacija topline

j pjJM C c u T označava prijenos topline konvekcijom, odnosno to jetoplina koja se unosi ili iznosi prolazom reakcijskemase kroz reaktor.

jjH r je toplinski efekt svih reakcija koje se istovremenoodigravaju unutar reaktora.

16


Bilanca topline (nastavak)

rjjiipjjj QHJTrHTutTcCM

T je član kojim se opisuje toplina prenijeta vođenjem (kondukcijom) kroz reakcijsku smjesu ili s okolinom kroz stjenke.

j jJ H je toplina koja se prenosi molekularnom

difuzijom pri čemu je Hj parcijalna molarnaentalpija.

je toplina prenijeta zračenjem (radijacijom).Qr

17

Za dimenzioniranje, odnosno proračun reaktora potrebne su bilance množine tvari (komponente) i topline. U općem obliku one su formulacija zakona o održanju tvari i energije.

Prilikom postavljanja općih bilanci uzeto je u obzir da se prijenos tvari ostvaruje konvektivnimi difuzijskim načinom, a prijenos topline konvekcijom, vođenjem, difuzijom i radijacijom.

Kako kemijski reaktori mogu biti sustavi s raspodijeljenim i (ili) usredotočenim parametrima, bilance se u općem obliku postavljaju za diferencijalni (jedinični) volumen.

Zavisno o pojedinim osnovnim tipovima reaktora, opće bilance množine tvari i topline se pojednostavljuju prema pretpostavkama sadržanim u opisu osnovnih grupa reaktora.

Matematički napisane bilance množine tvari i topline nazivaju se reaktorskim modelima. Njihova složenost zavisi od predodžbi koje se posjeduju o reaktoru i o procesima unutar reaktorskog prostora.

Kinetički član (brzina reakcije) govori o brzini nestajanja (nastajanja) komponente, sudionika u kemijskoj reakciji. Po tom se članu reaktorske bilance razlikuju od bilanci za ostale procesne jedinice u kojima ne dolazi do kemijske pretvorbe.


18


Komponenta m/kg M / kg kmol‐1 / kg m‐3

Benzen 40 78,1 880Propen 30 42,1 550Kumen 0 120,1 862

1.) U nekom reaktoru se nalaze sljedeće komponente

Ne dolazi do promjene volumena tokom reakcije. Treba odrediti ulaznu koncentraciju reaktanata u reaktoru. Kolika će biti koncentracija reaktanata ako je postignuta 90 % konverzija benzena? Izračunajte konverziju propena.

19

2.) Kod sinteze amonijaka koja ide prema sljedećoj jednadžbi

N2+3H22NH3ulazi u reaktor smjesa vodika i dušika u stehiometrijskom

odnosu. U njoj nema ni amonijaka ni inertnih plinova. Konverzija

dušika iznosi 20%. Izračunajte sastav plinske smjese na izlazu iz

reaktora. Baza 1 mol ulazne smjese.


20

3.) Hidrolizom metana vodenom parom nastaju CO i H2 prema jednadžbi:

CH4+H2O→CO+3H2reakcija se vodi u cijevnom katalitičkom reaktoru pri čemu se na izlazu dobiva 600 m³ h⁻¹ vodika, dok je volumni protok na ulazu reaktora 550 m³ h⁻¹ smjese metana i vodene pare u omjeru 3 : 2.5 (vol%). Izračunajte konverziju metana i sastav izlaznih plinova!


21

4.) U reaktor za sintezu amonijaka uvodi se plina za sintezu koji

ima sljedeći sastav u molarnim postocima: 2,9% NH3, 9,0% inerta,

67,6% H2, 20,5% N2. Na izlazu je izmjeren molni udio amonijaka od

12%. Treba odrediti konverziju dušika i vodika. Izračunajte izlazni

sastav smjese.

OPĆE BILANCE TVARI i TOPLINE (SEMINAR)

22


REAKTORSKI MODELI OSNOVNIH ("IDEALNIH") TIPOVA REAKTORA

Pojam "idealnog" reaktora

KOTLASTI REAKTOR

PROTOČNI KOTLASTI REAKTOR

CIJEVNI REAKTOR

23


Pojam "idealnog" reaktora1. Pretpostavka o stacionarnom radu

2. Pretpostavka o idealnom miješanju

3. Pretpostavka o idealnom strujanju

4. Pretpostavka o izotermnom radu reaktora

5. Pretpostavka o ne postajanju difuzijskog prijenosa tvari i topline

24


KOTLASTI REAKTOR- Sastav reakcijske smjese je u svakoj točki isti, reaktorski prostor je

homogen. To se odnosi i na heterogene sustave proširujući pojam točkena elementarni (dovoljno mali) volumen. Prema tome, bilance se mogupostaviti za reaktor kao cjelinu, a ne samo za diferencijalni volumen.

- U kotlastom reaktoru sve veličine stanja zavise o vremenu. Prema tomesastav reakcijske smjese, brzina kemijske reakcije i količina oslobođene(utrošene) topline uslijed kemijske reakcije su vremenski promjenljiveveličine. Kod idealnog kotlastog reaktora jedino se temperatura ureaktoru ne mijenja s vremenom jer se pretpostavlja izotermni rad.

- Model "idealnog" kotlastog reaktora sadrži također pretpostavku da jevolumen reakcijske smjese stalan i nezavisan o vremenu tj., nemapromjene gustoće.

25


26


AA

dnr Vdt

0

0

A

A

nt

A

An

dnV dtr

A

A

n

nA

Ar

dnV

t

0

1

Matematički model kotlastog reaktora uz navedene pretpostavke čine bilance (1) množine tvari i (2) topline.

(1) Bilanca tvari

Količina tvari A nestalakemijskom reakcijom ureaktorskom volumenu

= Akumulacija tvari A ureaktorskom volumenu

27


dtdCr AA

A

A

C

CA

Ar

dCt

0

0 0

0 0

/ . /A A A AAA A

n n C CX V konst

n C

0

0

A

A

X

AA

AX

dXt Cr

CA=nA/V i dnA=VdCA

28


Bilanca topline

r A s p rH r V UA T T

Količina nastale (nestale)topline kemijskom reakcijom u reaktorskom volumenu i jediničnom vremenu.

=

akumulaciji topline u reaktorskom volumenu i jediničnomvremenu

+toplina koja se prenese u okolinu u jediničnomvremenu

r A t p p p rdTH r V G c UA T Tdt Izotermni rad T=konst. (dT/dt=0)

(2)

reaktori i bioreaktori · 2020. 10. 16. · 2 reaktori i bioreaktori – podjela i osnovi tipovi...

Documents