Upload
trandien
View
218
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Industriella Reaktorer 2005
Föreläsare: Johan Wärnå rum 252� Kompendium, Industriella Reaktorer� Uppgifter i Industriella Reaktorer� Föreläsningar
�mån 13-15 Ri� ti 8-10 Stina� to 13-15 Ri� fre 10-12 Stina
Industriella Reaktorer 2005
� Räkneövningar ca 9 st� Godkända före deltagande i tent� Deadline 2 månader efter kursens slut � Tent 4.5.2005
� Laborationer 3 st� Uppehållstidsfördelning baserar sig på IIR
kursen, kan göras genast� Katalytisk tryckreaktor kapitel 4� Katalytisk fastbäddreaktor kapitel 4� 3 personer/grupp� När vill ni börja ?
Innehåll
� 1 Inledning� 2 Stökiometri och kinetik� 3 Homogena reaktorer� 4 Katalytiska tvåfasreaktorer� 5 Katalytiska trefasreaktorer� 6 Gas-vätskereaktorer� 7 Reaktorer med en reaktiv fast fas
� Bilagor 1-8
Reaktorer
� Råmaterial → Produkter� Satsvist arbetssätt� Kontinuerligt arbetssätt� Klassificering på basen av antalet faser
� Gas, Vätska, Fast, Katalysator
� Kemin i den industriella processen bestämmervalet av reaktortyp
Process
Physicaltreatment steps
Chemical treatmentsteps
Physicaltreatment steps
ProductsRawmaterials
Recycle
Process
H2
Aceton
Separations kolonn
Q
T0
Iso-propanol
Iso-propanol --> aceton + H 2
A --> A + A1 2 3
V xT
I
Reaktor
Kemisk reaktorReaktor UtIn
������������� ������������ ��������������
��������������������������������� ����������������������������������� !����������"�����
#��$�"��������������!����������������������������� ������ ���
Projektering av en kemiskreaktor� Preliminära studier
�Litteraturstudier -> syntesrutter, katalysator ...�Processbetingelser, temperatur, tryck ....�Stökiometri, termodynamik
Projektering av en kemisk reaktor
� Laboratorieexperiment� 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
MatematiskModell
Reaktorplanering
Reaktorn klarTiden slutPengarna slut
Ide’
Experiment
ParameterEstimering
Optimering
Reaktormodelleringens principer
Kinetiskmodel
Mass ochvärme överförings
modell
Modeller förströmningen
REAKTOR MODELL
Reaktormodelleringens principerStökiometri
Kinetik ochtermodynamik
Reaktion & diffusion
Reaktor modell
Reaktortyper
Homogena reaktorer� En fas, eventuellt också en homogen
katalysator)� Tubreaktor (kolvströmningsreaktor)� Tankreaktor (Återblandningsreaktor)� Satsreaktor� Halvkontinuerlig
Reaktortyper
Heterogena katalytiska tvåfasreaktorer�Gas eller vätskefas + fast katalysator� reaktion på katalysatorytan
� Packad bädd� Moving bädd� Fluidiserad bädd
Reaktortyper
Heterogena katalytiska trefasreaktorer� gas, vätska + fast katalysator� reaktion på katalysatorytan
� Packad bädd (Trickle bädd)� Bubbelkolonn� Tankreaktor� Fluidiserad bädd� Slurry reaktor� Reaktiv katalytisk destillationskolonn
Reaktortyper
Gas-Vätskereaktorer�gas och vätskefas + eventuellt homogen
katalysator� reaktion i vätskefasen
� Absorptionskolonn� Bubbelkolonn� Tankreaktor� Reaktiv destillationskolonn
Reaktortyper
Vätske-Vätske reaktor�Två vätskefaser + eventuell homogen
katalysator�Reaktion i någondera eller båda faserna
� Kolonnreaktor� Mixer-Settler reaktor
Reaktortyper
Fluid fastfasreaktor�Två eller tre faser, gas och/eller vätska +
reaktiv fast fas�Reaktion mellan gas eller vätskefasen och
den fasta fasen� Packad bädd� Fluidiserad bädd� Förbränningsprocesser
Stökiometri och kinetik� Önskade reaktioner� Oönskade 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 mellanproduktenmonoklorparakresol
reaktionerna har olika reaktionshastigheter
StökiometriCO + 2H2 ��CH3OH
CO2 + H2 � CO + H2O
-1 CO + 2 H2 - 1CH3OH = 0
- 1CO2 -1 H2 + 1CO + 1H2O = 0 ������
�
�
������
�
�
=
OH
CO
OHCH
H
CO
a
2
2
3
2
T
��
���
�
+−−++−−
=11011
00121ν
(1)
(2)
Reaktionskinetik
� Vid kemisk reaktion förändras komponenternasämnesmängder
� reaktanter konsumeras� produkter uppstår
� Reaktionshastigheten R (mol/s m3) anger hur många mol substans som genererasper tidsenhet
� Elementär reaktion eller icke elementär reaktion
Genereringshastigheten riRr ii ν=
För metanolsyntesreaktionen fås
rH2 = - 2 R och rCH3OH = +1 R
I system med flere samtidiga reaktioner fåskomponentens genereringshastighet genomaddition av bidragen för varje reaktion
rH2 = -2R1 - 1R2rCH3OH = +1 R1 + 0 R2
�=
=S
jjiji Rr
1
ν
Hastighetsuttrycket
2A + B � 2C
Ifall reaktionen är elementär fås reaktionshstigheten
22CBA ckcckR −+ −=
Reaktionen förutsätter en kollision mellan två A och en B molekyl
reaktionshastigheten är proportionell mot komponenternas koncentrationer
De stökiometriska koefficienternas absolutabelopp uppstår som exponenter i hastighetsuttrycket
ReaktionshastighetenstemperaturberoendeArrhenius RTEAAek /−=
RTEb AeTAk /' −=
Också frekvensfaktorn A kan vara temperaturberoende
Jämviktskonstanten ochhastighetskonstanterna
Följande samband gäller
−
+=kk
K c
22CBA ckcckR −+ −=
Vid kemisk jämvikt är reaktionshastigheten R = 0
BA
Cc cc
cK 2
2
=
ReaktionstermodynamikJämviktskonstanten beroende av temperaturen
2
0)ln(
RTU
dT
Kdrc ∆=� ν
och av
RS
RTU
K rrc
00
)ln(∆−∆=− �ν
0rU∆0rS∆
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
0rS∆
0rH∆
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 2 4 6 8 10
ReaktionstermodynamikReaktionsentalpin 0
rH∆vid referenstemperaturen T0 ofta 298 Kberäknas ur bildningsentalpierna
00
0 )( fii
ir HTH �=∆ ν
Bildningsentalpier finns tabellerade i litteraturen t.ex. Reid,Prausnitz, PolingThe Properties of Gases and LiquidsReaktionsentalpin fås nu med
( ) ( ) � �+∆=∆i
T
Tpmiirr dtCTHTH
0
000 ν
De molära värmekapaciteterna Cpmi finnssom temperaturfunktioner
ReaktionstermodynamikEkvation 13 utnyttjas
2
0)ln(
RTH
dT
Kdrp ∆=� ν
integration ger
dtRT
HTKTK
T
T
rpp �
∆+=0
2
0
0 )(ln)(ln
Satsreaktorn
� Funktion� reaktorn fylls med reaktionsblandningen
� uppvärmning till reaktionstemperatur
� reaktionen får pågå tills önskad omsättningsgrad haruppnåtts
� reaktorn töms
Satsreaktorn
� Vanligen för vätskefasreaktioner� I laboratorieskala också för att bestämma
kinetiken för gasfasreaktioner
� Industriell användning� finkemikalier (organiska vätskefasreaktioner� läkemedel, färgämnen, pesticider,herbicider
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 Fördelar� Flexibel
� kan användas för flere olika reaktioner� Uppehållstiden kan lätt varieras� Temperaturstyrning
� högre temperatur i början av reaktionen för attförsnabba reaktionen
� lägre temperatur i slutet av reaktionen för bättrejämviktsläge
� Scale-up� En reaktionstid i laboratorieskala motsvarar direkt
en reaktionstid i stor skala ifall betingelserna förövrigt är de samma, svårt att uppnå t.ex. Sammaomblandningseffektivitet som i en liten lab reaktor.
SatsreaktornFördelar� För konsekutiva och balandade reaktioner
ger satsreaktorn en högreproduktomsättning och högre halt avönskade mellanprodukter änåterblandningsreaktorn
� 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 ochproduktkvaliteten
� Sårt 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 fullständigtomblandad
� Produktflödet har samma koncentrationsom reaktions-blandningen
ÅterblandningsreaktorKonstruktion� Propelleromrörare (fig 3.3)
� Multistage reaktor (fig 3.4)
� Återcirkulation av produktflödet med cirkulationspump (fig 3.5) (praktiskt vidgasfas reaktioner)
ÅterblandningsreaktornFördelar
� Arbetar kontinuerligt vid konstanta betingelser� Jämn produktkvalitet� God värmeöverföring då ny reaktionsmassa
hela tiden tillförs� Favoriserar den reaktion som har den lägsta
reaktionsordningen� 2A--> R A --> S
� Vid autokatalytiska reaktioner därreaktionshastigheten stiger med produktkoncentrationen fås en högreomsättningsgrad än med kolv-strömningsreaktor
ÅterblandningsreaktorNackdelar� Arbetar vid låg koncentrationsnivå av
reaktanterna, på produktblandningenskoncentrations-nivå
� Lägre omsättningsgrad än kolvsträmnings ochsatsreaktor
� Seriekoppling ger högre omsättningsgrad men kapital-kostnaderna ökar
Tubreaktor
� Gas och vätskefasreaktioner� Om tublängden är lång jämfört med
tubdiametern och strömnings-hastighetenär hög försvinner dispersions ochdiffusionseffekterna i axiall riktning ochkolvströmning antas råda
TubreaktorFördelar� Högsta omsättningen och högsta halter av
mellanprodukter vid de vanligaste typer avreaktionskinetik
� Enkel konstruktion