Download - Reaktory pro sytém plyn-kapalina
Reaktory pro systém
plyn-kapalina
Vypracoval : Jan Horáček
FCHT, ústav 111
Prováděné reakce
Rychlé :
všechen absorbovaný plyn zreaguje již na
fázovém rozhraní (př. : absorpce kyselých
plynů : CO2, H2S, SO2, SO3, NO2, HCl, Cl2)
Pomalé :
př. : oxidace vzduchem, chlorace, homogenní
hydrogenace, sulfonace, sulfatace,
polymerace…
Výkon reaktoru a selektivitu
procesu ovlivňují :
Vztah rychlosti sdílení hmoty a rychlosti
reakce
Velikost mezifázového povrchu na
jednotkový objem reaktoru
Axiální promíchávání kapaliny a plynu
Intenzita odvodu tepla
Rychlost reakce plynných látek s
kapalinou
Reakce : A + B <=> C „A“ : plynný reaktant
„B“ : kapalný reaktant –
- B je v rozpouštědle, nebo přímo tvoří kapalnou fázi
Na rozhraní (g) - (l) se předpokládá rovnovážné nasycení kapaliny plynem :
pA = CA·H(T) ~ fA=aA·H(T) (1)
Rychlost procesu ovlivňují :
rychlost sdílení hmoty v plynné fázi
rychlost sdílení hmoty v kapalné fázi
rychlost chemické reakce
Dělení absorpcí s chemickou reakcí
podle vlivu sdílení hmoty v kapalné fázi
Kinetická oblast : veškerá kapalina je nasycena
plynnou složkou do rovnováhy
Difuzní oblast : plynná složka zreaguje ve filmu
kapaliny
Přechodná oblast : chemická reakce a přenos hmoty
probíhají srovnatelně rychle
Koncentrační profil kinetické oblasti :
tzv. filmový model
rychlost určující děj je
chemická reakce =>
ustálené koncentrační
profily všech složek
Difuzní oblast : Rychlost určujícím krokem je difuze
Složka „A“ reaguje v : tenkém filmu kapaliny na fázovém rozhraní (2)
filmu plynu na fázovém rozhraní u reakcí pod vlivem sdílení hmoty v plynné fázi (1)
Složka „A“ částečně prochází filmem : přechodná oblast : (3)
Selektivita následných reakcí
A + B => C
A + C => D
Výtěžek látky „C“ difuzní oblast :
preferována následná reakce
kinetická oblast : následná reakce není podporována
Následné reakce probíhají při : oxidacích
chloracích
sulfonacích
Posun do kinetické oblasti :
snížení teploty
zvýšení mezifázového povrchu
snížení parciálního tlaku plynu
Parametry nutné k popisu vlivu difuze na
rychlost procesu
Koeficient molekulární difuze
Tloušťka laminárního filmu kapaliny
difuzní koeficient
koeficient přestupu hmoty
Rychlostní konstanta reakce
Relativní zádrž kapaliny/plynu
Mezifázový povrch
Koeficient molekulární difuze
Lze odhadnout pomocí Wilkeova vztahu, chyba
nepřesahuje 12 % :
(2)
T = teplota
ML = molekulová hmotnost
χ = asociační parametr rozpouštědla
μL = viskozita
Vl = molární objem difundující složky = Σnl·vl + Σbl
vl = atomové příspěvky molárních objemů prvků
6,0
5,0
12104,7lL
L
V
MTD
Tloušťka laminárního filmu kapaliny (1)
přímé měření nemožné => hodnota parametru ϑ se
odhaduje z nepřímých měření
hrubý odhad : (3)
z koeficientu přestupu hmoty : (4)
31
2
2
g
A
LA
Dk
Tloušťka laminárního filmu kapaliny (2)
Semiempirické rovnice : Calderbank a Moo-Young :
(5) (6)
1. rovnice pro db > 2 mm, 2. rovnice pro db < 0,8 mm
pro db ϵ (0,8; 2) mm koeficient závisí na velikosti bublin
Intenzita sdílení hmoty kolem velkých bublin je větší,
protože povrch bublin je pohyblivý
Povrch malých bublin je „tvrdý“, rozdíl kLA je maximálně
čtyřnásobný proti velkým bublinám
31
5,0
42,0 gD
k l
l
ALA
31
32
31,0 gD
k l
l
ALA
Rychlostní konstanta reakce plynu s
kapalinou
Stanovení reakční rychlosti je základ výpočtu
reaktoru
Její znalost je nutná pro posouzení relativního
výkonu reaktoru => základ intenzifikačních úvah
Měření v kinetické oblasti, jinak se měří rychlost
transportu hmoty
Měřící zařízení :
intenzivně třepaná a temperovaná nádoba
reaktory s turbinovým nebo aeračním míchadlem
Relativní zádrž plynu a mezifázový
povrch
a = mezifázový povrch
db = střední průměr bublin (7)
ε = zádrž plynu
hL = klidová zádrž plynu
hR = výška disperze (l)+(g) (8)
Experimentální stanovení :
fotografování bublin = > db
reakční rychlost v dif. oblasti : (9)
„a“ ovlivněno :
energiíí disipovanou v systému na překonání povrchového napětí
bublin
konstrukcí reaktorů
Bda
6
L
LR
h
hh
AlA CDkar
Konstrukce reaktorů
Věž s probublávanou vrstvou kapaliny
s centrálním difuzorem
s ejektorem
Reaktor s míchadlem
turbínové míchadlo
aerační míchadlo
Kaskády reaktorů pro potlačení vlivu axiální
disperze
série věží
ležatý válec s přepážkami
kolona se sítovými patry a vysokými přepady
a) série věží
b) ležatý válec s přepážkami
c) kolona se sítovými patry a vysokými přepady
Věž s probublávanou vrstvou kapaliny
plyn je přiváděn ke dnu věže :
děrovaným patrem
děrovanými trubkami
fritami : skleněné, keramické, kovové
tryskami
v otvoru trysky je doporučená hodnota Re = 5x103
až 104, při těchto hodnotách není velikost bublin
závislá na průměru otvoru trysky
Zvýšení mezifázového povrchu věžových
reaktorů
měrný povrch je závislý na rychlosti plynu vG
v průmyslu 0,05 – 0,3 m/s
příklad výpočtu : Dierendonckova rovnice :
(26)
platí pro d ϵ (0,1;3) mm; vG ϵ (0,03;0,3) m/s
a ϵ (50;500) m2/m3 při ε ϵ (0,05;0,4)
Mezifázový povrch lze zvýšit :
centrálním difuzorem
ejektorem
41
4
2
gC
a
v LL
L
LG
a) věž s centrálním difuzorem
b) věž s ejektorem
Reaktory s míchadlem
nečastější míchadla :
turbínové : plyn je zaváděn pod lopatky míchadla
aerační : zavádění plynu dutou hřídelí míchadla
vG je maximálně 0,1 m/s vzhledem k průměru
reaktoru, jinak hrozí zahlcení míchadla plynem
Velikost měrného povrchu míchaných
reaktorů
Calderbank : Ed = disipovaná energie
σ = povrchové napětí
vG = rychlost proudění plynu
vS = rychlost stoupání „single“ bubliny
vG ϵ (0,18;0,25) m/s; příkon míchadla = 1-5 kW/m3
vztahy pro zvětšování měřítka reaktorů :
n = frekvence otáček míchadla
(12) dM = průměr míchadla
dR = průměr reaktoru
(13)
5,0
6,0
2,04,0
44,1
S
Gd vEa
23. Md dnkonstE
32
1
2
32
1
2
2
1
R
R
M
M
d
d
d
d
n
n
Reaktory se sníženým vlivem axiální
disperze
axiální disperze :
snižuje výkon reaktoru a selektivitu procesu
závisí na průměru reaktoru (dR > 1m => ideální mísič)
Towel a Ackermann : axiální difuzivity :
kapalina (14)
plyn (15)
5,05,15,73 GRaxL vdD
GRaxG vdD 27,19
Vliv teploty na výkon reaktoru
rychlostní konstanta : Arrheniova exponenciální
závislost na „T“
(16)
pro reakce 1. řádu k plynné složce :
(17)
pro vliv „T“ na „r“ při p=konst. nutné započítat i
změnu tenze par kapaliny.
n
A
m
Bn
n
A
m
B pCH
kCCkr 1
´
rozpAA HEE ´
Vliv tlaku na výkon reaktoru :
všechny reakce jsou kladného řádu => vysoký vliv na
výkon reaktoru
Chlazení reaktoru :
všechny reakce jsou exotermní => chlazení
v duplikátoru
chladičem v reaktoru
vnějším výměníkem
odpařováním kapaliny
nástřik chladné suroviny
kombinace několika způsobů
Chlazení reaktoru – přestup tepla
závisí na dílčích koeficientech přestupu tepla
(18)
odpor sdílení tepla ve stěně trubky je zanedbatelný
Calderbank : (19,20)
chlazení navařenými nebo do stěny zapuštěnými
trubkami je účinnější, než chlazení v duplikátoru
21
111
5,1
22,0
1Pr
5780L
Gv
L
pLC
Pr
Zásady intenzifikace probublávaných
reaktorů
porovnání výkonu reaktoru s rychlostí v kinetické oblasti
(ideální mísič)
posouzení vlivu odchylek od ideálního axiálního
promíchávání na výkon reaktoru
možnosti zvýšení měrného povrchu – zvýšení průtoku plynu
zvážení instalace děrovaných pater, náplně nebo přechodu
ke kaskádě pro zvýšení výkonu a omezení vlivu axiální
disperze
posouzení vlivu teploty a tlaku na selektivitu procesu +
přiblížení ke kinetické oblasti + zvýšení mezifázového
povrchu
Intenzifikace odvodu tepla
KONEC
Použitá literatura :
Hanika J. : Vícefázové reaktory, VŠCHT Praha, 1997
Horák J., Pašek J.: Návrh průmyslových chemických
reaktorů z laboratorních dat, SNTL Praha, 1978