trefasreaktorer - Åbo akademi
Post on 23-Feb-2022
3 Views
Preview:
TRANSCRIPT
TrefasreaktorFunktionsprincip Endel av reaktanterna eller produkterna befinner
sig i gasfasen Den gasformiga reaktanten diffuderar till gas-
vätske gränsytan gasen löser sig i vätskan gasen diffunderar genom vätske-filmen in i
vätskans huvudmassa diffunderar i vätskefilmen runt katalysatorpartikeln
fram till katalysatorytan där den kemiska reaktionen sker
Om porös katalysatorpartikel, sker en simulatan diffusion och reaktion i katalysatorpartikeln
TrefasreaktorKatalysatorpartiklarna Katalysatorpartiklarna kan vara mycket
små och suspenderade i vätskefasen
Katalysatorpartiklarna kan vara i samma storlek som i packade bädd reaktorer
TrefasreaktorerReaktortyper Slurry reaktorer (Suspenderad
katalysator) Bubbelkolonn Tankreaktor Fluidiserad bädd
Packad bädd (Trickle bädd)
TrefasreaktorerProcesser Hydrering
fettsyror (slurry) xylos (slurry)
Avsvavling (trickle bädd) Krackning (trickle bädd) Metanolsyntes (slurry) Väteperoxid (bubbelkolonn)
TrefasreaktorStrömningsbilden Bubbelkolonnen
Homogen bubbelströmning Slug flow, Bubblor som fyller hela
reaktortvärsnittet, smala kolonner Heterogen strömning, i bredare kolonner, stora
och små bubblor Strömningsförhållandet bestämmer
gasens volymandel och fasgränsytans storlek. Dessa påverkar reaktorns prestanda
TrefasreaktorOmrörd tankreaktor Mekaniskt omrörd tankreaktor med
suspenderad katalysator. Strömningsbilden är då nära fullständig återblandning
TrefasreaktorPackad bädd Trickle bädd
vätskan strömmar nedåt gasen strömmar uppåt eller nedåt Trickle flow
vätskan rinner nedåt i ett laminärt flöde som effektivt väter katalysatorn
Packad bädd ifall vätskan strömmar uppåt
Trickle bäddStrömningsbilden Trickle flow
vid låga gas och vätskehastigheter kolvströmning i båda faserna
Pulsed flow vid högre hastigheter
låg gas och hög vätskehastighet blir vätskefasen kontinuerlig och gasbubblor strömmar genom vätskan
Vid hög gashastighet och låg vätskehastighet blir gasfasen kontinuerlig och vätskedropparna dispergeras i gasfasen Spray Flow
Trefasreaktorfluidiserad bädd De finfördelade katalysatorpartiklarna
fluidiseras pga vätskans rörelse Vanligen så att gasen och vätskan
strömmar uppåt Pga gravitationen stiger partiklarna
endast till en viss nivå i reaktorn
Fluidiserad bäddStrömningsområden Bubbelströmning
jämn fördelning av katalysator-partiklarna Slug flow
Ojämn fördelning av katalysatorpartiklarna
Aggregative fluidization hög gashastighet mycket ojämn fördelning av de fasta partiklarna
Strömningsbilden vanligen nära fullständig återblandning
TrefasreaktorMonolitkatalysator Det aktiva katalysatormaterialet inklusive
katalysatorbäraren fästs på en monolit Vätskan och gasen strömmar i monolitens
kanaler
Bäst ämnesöverföring Bubble flow Slug flow
Taylor flow Annular flow
Trefasreaktorn
Slurry konstant temperatur, inga hot spots små katalysatorpartiklar --> diffusionen i
partiklarna kan försummas kan vara svårt att separera
katalysatorpartiklarna från produkten Återblandningen minskar omsättningsgraden
Trefasreaktorn
Packad bädd kolvströmningen oftast gynsam för maximal
omsättning diffusionsmotsåndet i katalysator-partiklarna kan
begränsa reaktions-hastigheten, men för starkt exoterma reaktioner kan effektivitetsfaktorn bli >1
Hot spots kan uppstå Besvärligt att byta katalysatorn vid förgiftning katalysatorgiftet ackumuleras i början av
reaktorn (giftfälla)
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser Kolvströmning
Kolonnreaktor Rörreaktor Trickle bädd
Återblandning Slurry reaktor Bubbelkolonn Tankreaktor
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser Ämnestransport från gasen till
katalysatorn fig 5.15 Reaktionen antas ske på/i katalysatorn I gas och vätskefilmerna antas det endast
ske fysikalisk diffusion Ämnesflödet från gasen till vätskan
N Lib =
cGib −K i cLi
b
K i
k Li
1kGi
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser Vid fysikalisk absorption är ämnesflödena
genom gas- och vätskefilmerna lika stora
Flödet från vätskan till katalysatorpartikeln = komponentens genereringshastighet vid fortfarighet
N Lib =N Li
s =NGis =NGi
b
N Lis A pr im p=0
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser Flödet genom vätskefilmen definieras
med koncentrations-differensen och vätskefilm-koefficienten
Katalysatorns bulkdensitet definieras som
N Lis =k Li
s cLib −cLi
s
ρB=mcat
V L
=mcat
εLV R
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser
ap = partikelyta/reaktorvolym
N Lis =k Li
s cLib −cLi
s a p=−εL ρB r i
TreafasreaktornÄmnesmängdbalanser Om diffusionsmotståndet i katalysatorpartikeln
påverkar reaktionshastigheten görs motsvarande korrigering av reaktionshastigheten med effektivitetsfaktorn som i tvåfas reaktorn.
Samma ekvationer för katalysatorpartikelns ämnesmängd-balans kan användas som i gasfas system men diffusionskoefficienten och filmkoefficienten beräknas för vätskefas i stället
R j=ηej R j' cB
TrefasreaktorKolvströmning, vätskefas
För volymelementet
Vätskefasen
ekv (1) ekv (4) el. (12)
n¿
Li , inN Lib ΔA=n
¿
Li , utN Lis ΔA p
d n¿
Li
dV R
=N Lib avN Li
s a p
TrefasreaktorKolvströmning, gasfas För volymelementet
Gasfasen
- medström fås med ekv. (1) + motström
n¿
Gi , in=n¿
Gi , utNGib ΔA
d n¿
Gi
dV R
=±N Lib av
TrefasreaktorKolvströmning Begynnelsevillkoren
vätskefas
gasfas medström
gasfas motström
n¿
Li=n¿
0, Li V R=0
n¿
Gi=n¿
0, Gi V R=0
n¿
Gi=n¿
0, Gi V R=V R
TrefasreaktorKolvströmningsmodellen Bra för Trickle bädd Ganska bra för packad bädd där vätskan
och gasen strömmar uppåt För bubbelkolonnen passar
kolvströmningsmodellen för gasfasen medan vätskefasen är återblandad, en term som beskriver den axiella dipersionen i vätskefasen bör adderas till ämnesmängdbalansen
TrefasreaktorFullständig återblandning Vätskefas
Gasfas
n¿
Li−n¿
0 Li
V R
=N Lb av−N L
s a p
n¿
Gi−n¿
0 Gi
V R
=N Lb av
Trefasreaktorhalvkontinuerlig Vätskefase satsvis Gasfasen kontinuerlig
begynnelsevillkoren
dnLi
dt=N L
b av−N Ls a pV R
dnGi
dt=−n
¿
Gi−N Li
b avV Rn¿
0 Gi
nLi=n0 Li t=0 nGi=n0 Gi t=0
Parametrar i trefasreaktorer
Gas-vätska jämviktsförhållandet Ki termodynamiska teorier gasers löslighet i vätskor henrys konstant
Överföringskoefficienterna kLi, kGi korrelationsekvationer vätske- / gasfilmens tjocklek
Tabell 5.3
k Li=DLi
δL
kGi=DGi
δG
TrefasreaktorerNumerisk lösning Återblandning
Newton-Raphson
Medströms reaktorer Runge-Kutta, Backward difference
Motströms randvärdesproblem Ortogonal kollokation (COLSYS)
Gas-VätskeReaktorer Icke katalytisk eller homogent katalyserad
Gasfas Vätskefas ( + homogen katalysator)
Komponenter i gasfas diffunderar till gas-vätske gränsytan och löser sig i vätskefasen
Molekyler desorberas från vätskefasen till gasfasen
Gas-VätskeReaktorer Reaktioner (tabell 6.1) Rening av industriella gaser
En komponent med låg koncentration i gasfasen absorberas med en kemisk reaktion till vätskefasen
Den kemiska reaktionen gör att absorptionen av gaskomponenten blir mycket snabbare än om det skulle vara frågan om rent fysikalisk absorption --> mindre anläggning
Ex. Absorption av H2S i aminlösning
Gas-VätskeReaktorer Spray kolonn Wetted wall kolonn Packad kolonn Botten kolonn Absorptionsprocesser
Låg gashalt Stor överföringsyta Motströmsprincipen
Där den reagerande gasens koncentration är lägst kommer den i kontakt med en färsk absorptionsvätska
Gas-VätskeReaktorer Syntes av kemikalier
Tankreaktor (Fig. 6.3) god omrörning goda värmeegenskaper gasen dispergeras i vätskefasen
Bubbel kolonn (Fig. 6.4) Gasen leds in genom en fördelare Motström (effektivare) eller medström Gasejektor : större fasgränsyta (Fig. 6.6) Återcirkulation för bättre temperatur-reglering Gasfasen kolvströmning Vätskefasen ~ återblandad
Gas-VätskeReaktorer Packad kolonn
Absorption av gaser Motströmsprincipen, gasen uppåt, vätskan
nedåt Fyllkroppar
skapa stor gas-vätske gränsyta Tillverkas av keramik, plst och metall Gasen distribueras bra p.g.a. fyllkropparna kanalbildning kan uppstå i vätskefasen, kan
avhjälpas med distributionsplattor Kolvströmning i gas och vätskefasen
Gas-VätskeReaktorer Bottenkolonn
Absorption av gaser Motströmsprincipen Olika typers bottnar
Bubble cap
Tryckförlusten mindre än i packad kolonn Lättare att kontrollera strömningsförhållandena
än i en bottenkolonn
Gas-VätskeReaktorer Gas-skrubbers
Spraytorn (Fig. 6.14) Vätskan fördelas med en distributör Vätskan duschas nedåt i små droppar gasen strömmar uppåt i motström
Venturi skrubber (Fig. 6.15) Vätskan dispergeras i en venturi-halsmed gasen
Lämpliga för mycket snabba reaktioner
Gas-VätskeReaktorer Valkriterier (Tabell 6.2)
Bubbelkolonn för långsamma reaktioner Kolonn, skrubber eller spraytorn för snabba
reaktioner Packad bädd eller bottenkolonn för hög
omsättningsgrad för gasfasreaktanten
Gas-Vätske ReaktorerÄmnesmängdbalanser Kolvströmning
Vätskefasen
Gasfasen
av =fasgränsyta/reaktorvolym L = vätskans volymandel
n¿
Li , inN Lib ΔAr i ΔV L=n
¿
Li , ut
d nLi
¿
dV R
=N Lib avεL r i
d nGi
¿
dV R
=±NGib av
Gas-Vätske ReaktorerÄmnesmängdbalanser Fullständig återblandning
Vätskefasen
Gasfasen av =fasgränsyta/reaktorvolym L = vätskans volymandel
n¿
Li , inN Lib Ar iV L=n
¿
Li , ut
n¿
Li−n¿
0 Li
V R
=N Lib avεL r i
n¿
Gi−n¿
0 Gi
V R
=−NGib av
Gas-Vätske ReaktorerÄmnesmängdbalanser Satsreaktor
Vätskefasen
Gasfasen av =fasgränsyta/reaktorvolym L = vätskans volymandel
dnLi
dt=N Li
b avεL r iV R
dnGi
dt=−NGi
b avV R
Gas-Vätske ReaktorerGas-Vätske filmen Ämnesflöde i Gas-Vätske filmen
NbLi Nb
Gi
Tvåfilmteorin Kemisk reaktion och molekylär diffusion pågår samtidigt
i vätskefilmen, tjockleken L
Endast molekylär diffusion i gasfilmen , tjockleken G
Ficks lag NGib =+ DGi dcGi
dz z=δGN Li
b =−DLi dcLi
dz z=δ L
Gas-Vätske ReaktorerGas-Vätske filmen Gasfilmen
Kan lösas analytiskt Flödet beroende av gasfilmkoefficienten och
koncentrationsdifferensen
DGi
dcGi
dz in A=DGi
dcGi
dz ut A DGi
d 2 cGi
dz2=0
NGib =kGicGi
b −cGis
Gas-Vätske ReaktorerGas-Vätske filmen Vätskefilmen
Randvillkor
−DLi
dcLi
dz in Ar i AΔz=−DLi
dcLi
dz ut ADLi
d 2 cLi
dz2r i=0
NGib =N Li vid z=0
cLi=cLib vid z=δL
Gas-Vätske ReaktorerGas-Vätske filmen Vätskefilmen
Ekvationen kan lösas analytiskt för isoterma betingelser i vissa specialfall i övriga fall löses ekvationen numeriskt med t.ex. ortogonal kollokation
Gas-Vätske ReaktorerReaktionstyper Fysikalisk absorption
Ingen reaktion i vätskefilmen och i vätskans huvudmassa. Linjära koncentrationsprofiler i filmerna
Mycket långsam reaktion Den kemiska reaktionens hastighet samma i
vätskefilmen och i vätskans huvudmassa. Inga koncentrations-gradienter i vätskefilmen
Långsam reaktion Ingen kemisk reaktion i vätskefilmen, kemisk reaktion i
vätskans huvudmassa. Linjära koncentrationsprofiler i vätskefilmen
Gas-Vätske ReaktorerReaktionstyper Reaktion med ändlig hastighet
Kemisk reaktion i vätskefilmen och i vätskans huvudmassa. Icke linjära koncentrationsprofiler i vätskefilmen
Snabb reaktion Kemisk reaktion i vätskefilmen. Ingen kemisk reaktion i
vätskans huvudmassa. Icke linjära koncentrationsprofiler i vätskefilmen. Gasfaskomponentens koncentration=0 i vätskefasen
Oändligt snabb reaktion Kemisk reaktion i vätskefilmen Diffusionskoefficienterna bestämmer reaktionsplanets läge
Gas-Vätske ReaktorerMycket långsam reaktion Inga koncentrationsgradienter i
vätskefilmen Beror på om diffusionsmotståndet har
effekt eller ejK A=
cGAs
cLAb
K A=cGAb
cLAb
NGAb =N LA
b =kGA cGAb −K A cLA
b
Gas-Vätske Reaktorer Långsam reaktion Diffusionsmotståndet i både gas- och
vätskefilmen bromsar absorptionen men inga reaktioner antas pågå i vätskefilmen
NGAb =kGA cGA
b −cGAs
N LAb =k LAcLA
b −cLAs
N LAb =
cLAb −K A cGA
b
K A
k LA
1kGA
Gas-Vätske Reaktorer Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen
Kemiska reaktioner i vätskefilmen
Transportekvationen
NGAb ≠N LA
b
NGAb =NGA
s =N LAs
K A=cGAs
cLAb
DLA
d 2 cLA
dz2r A=0
Reaktion i vätskefilmenIngen reaktion i gasfilmen
Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen Transportekvationen kan lösas analytiskt
för vissa specialfall vätskefilmen är isotermisk nollte, första och andra ordningens kinetik
Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen Nollte ordningens kinetik
d 2 cLA
dz2=−
ν A k
DLA
N LAs =
cLAb −K A cGA
b M−1 K A
k LA
1kGA
M=−ν A kDLA
2 k LA2 cLA
b
Påskyndningsfaktorn
Förhållandet mellan den kemiska absorptionshastigheten och den rent fysikaliska absorptionshastigheten
EA är alltid 1
E A=N LA
s
cGAb −K A cLA
b
K A
k LA
1kGA
Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen Första ordningens kinetik
Hattas tal Ha=
d 2 cLA
dz2=−
ν A kcLA
DLA
N LAs =
cLAb −
K A cGAb
cosh M
tanhMM
K A
k LA
1kGA
M=−ν A kDLA
k LA2
Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen Andra ordningens kinetik
man kan ej få exakta analytiska lösningar Pseudoförsta ordningens kinetik
koncentrationen av vätskefas-komponenten B är så hög att dess konsumption i vätskefilmen är försumbar
Ekvationerna för första ordningens kinetik kan tillämpas
r A=kc A cB
Reaktion med ändlig hastighet i vätskefilmen Approximativa lösningar för reell andra
ordningens kinetik komponent A konsumeras helt i vätskefilmen, cb
LA=0
EA bestäms iterativt
Approximativa ekvationer i tabell 6.4 (för att undvika iterationen)
E A=M E i−E A
E i−1 tanh M E i−E A
E i−1 Ei=1
ν A DLB cLBb K A
E A k LA
kGA ν B DLA cGA
b
N LAs =
cGAb
K A
E A k LA
1kGA
Snabba reaktioner
Specialfall av reaktioner med ändlig hastighet
Gasfaskomponenten konsumeras helt i vätskefilmen och dess bulkfaskoncentration = 0
Samma uttryck som för reaktioner med ändlig hastighet kan användas men cb
LA=0
Oändligt snabba reaktioner
Komponenterna reagerar fullständigt i vätskefilmen
Reaktionsplan där reaktionen sker, Figur 6.20
reaktionsplanets koordinat
DLA
d 2 cLA
dz2=0
z '=
νB δL
DLB cLB
ν A
DLA cLAs
νB
DLB cLBs
Vätskefilmkoefficienten
D = diffusionskoefficient = vätskefilmtjocklek
k LA=DLA
δk LB=
DLB
δ
k LB=DLB
DLA
k LA
Oändligt snabb reaktion
Flödet
Absorptionshastigheten av A bestäms endast av A:s och B:s koncentrationsnivåer och deras diffusionskoefficienter
Om flera reaktioner sker samtidigt kan det förekomma flera reaktionsplan
N LAs =
cGAb
ν A DLB
νB DLA
K A cLBb
K A
k LA
1kGA
Ämnesflöden i reaktorbalanserna
Ämnesflödesuttryckena sätts in i ämnesmängdbalanserna för de ideala reaktortyperna (sats-, kolv- och återblandningsreaktor)
För mycket långsamma och långsamma reaktioner (ingen reaktion i vätskefilmen)
NGib =NGi
s =N Lis
N LAb =N LA
s
Ämnesflöden i reaktorbalanserna
För andra typer av reaktioner (med reaktion i vätskefilmen) fås flödet
N Lib =−DLi dcLi
dz z=δ L
Lösning av massbalanserna
Numeriskt algebraiska ekvationer
Newton-Raphson differentialekvationer
Backward difference Runge-Kutta
randvärdesproblem ortogonal kollokation
Lösning av massbalansernaantal ekvationer N st. i vätskefasen N st. i gasfasen Om reaktionen i vätskefilmen skall lösas, N st. Energibalansen
1 st i gasfasen 1 st i vätskefasen
Totalt 3N+2 ekvationer
N = antal komponenter
Antalet ekvationerEn kemisk reaktion
Med reaktionsomfattningen
kan utnyttjas istället för balans-ekvationerna för A(L), A(G), B(L) och B(G), om vätskefas-komponenten B:s flyktighet är låg kan systemet lösas med balansekvationerna för A(L) och A(G)
∣ν A∣A∣νB∣BPr odukter
ξ=n¿
LAn¿
GA−n¿ 0 LAn¿
0 GAν A
=n¿
LBn¿
GB−n¿ 0 BAn¿
0 GBνB
Volymströmmarna i gas-vätske reaktorer Vätskans volymström kan antas vara
konstant
gasens volymström förändras med temperaturen, trycket, stökiometrin, lösligheten och massöverförings-egenskaperna
V¿
L≈V¿
0 L
V¿
G=RT∑ n
¿
Gi
P
Gas-Vätskefilm koefficienter
Ämnesflödet genom gasfilmen
Me d partialtryck
Idealgaslagen ger sambandet
NGAb =NGA
s =kGA cGAb −cGA
s
NGAb =NGA
s =k 'GA pA− pAs
kGA=k 'GA RT
Gas-Vätske jämvikten
Definition
För gaser med låg löslighet med Henrys konstan
Sambandet
KA kan uppskattas med termo-dynamiska teorier ofta är dock Henrys konstant tillräcklig
K A=cGAs
cLAs
HeA=pAs
cLAs
K A=HeA
RT
He ' A=pAs
x LAs
Gas-Vätske reaktor
Klorering av p-cresol P-kresol + Cl2 -> monoklorparakresol monoklorparakresol + Cl2 -> diklorparakresol
Återblandningsreaktor Newton-Raphson
Gas-Vätske filmen Ortogonal kollokation
top related