innehåll - startsidaweb.abo.fi/fak/tkf/tek/kurser/ir/ir_presentationer_1old.pdf · slurry reaktor...

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