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

Vad behövs modellering till

%��������������������������� ������"���������������� ����������������

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

Kostnadsfördelning

timelaboratorypilot

plant-construction

production

+

-

mon

ey /

euro

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

Stökiometri

Reaktanter -

Produkter +

01

=�=

N

iiiaν

0=aTν

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

Komponenthastigheten

22CBA ckcckR −+ −=

2A + B � 2C

RA=-2RRB=-RRC=2R

ReaktionshastighetenstemperaturberoendeArrhenius RTEAAek /−=

RTEb AeTAk /' −=

Också frekvensfaktorn A kan vara temperaturberoende

Aktiveringsenergin

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

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 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

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 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.

Omblandning i satsreaktor

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)

CSTR

CSTR

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

Tubreaktor

Tubreaktor

Tubreaktor i laboratoriet

#��� ��������� ���������������&�����

Tubreaktor med parallella tuber

TubreaktorFördelar� Högsta omsättningen och högsta halter av

mellanprodukter vid de vanligaste typer avreaktionskinetik

� Enkel konstruktion

TubreaktorNackdelar� Stabiliteten� Hot spot uppstår lätt vid exotermiska

reaktioner

Temperatur och koncentration i satsreaktor

Kylsystem för reaktorer