reaktionssystem - web.abo.fiweb.abo.fi/fak/tkf/tek/kurser/ir/ir_presentationer_2.pdf ·...
TRANSCRIPT
Reaktionssystem
(1) och (3), 1:a ordning (2) och (4)
olika ordning konsekutiva eller parallella
(5) blandade reaktioner consecutive competitive halogenering och hydrering av kolväten framställning av diestrar och
polyalkoholer
Reaktionssystem
(6) oxidation av kolväten stort överskott syre pseudoförsta ordningen R önskad produkt S icke önskad produkt
(7) Triangelsystem isomeriseringsreaktion 1-buten - cis-2-buten - trans-2-buten
Definitioner
n nii
N
1
n nii
N
1
n n ii
N
0 01
n n ii
N
0 01
Total molström
Total ämnesmängd
Definitioner, molbråk
xnnii
xnnii
xnnii
00
xnnii
00
Definitioner, konsentration
cnVii c
nVii
c xnV x ci i i c c
nV x ci i i
Kombination ger
Förhållandet mellan ämnesmängd och volym
Definitioner
V
m
m n Mi ii
N
1
V
n M nx Mi i
i
N
i ii
N
1 1
Volymström
Massaström
Kombination ger
Definitioner, konversion
kk k
k
n nn
,
,
0
0
,n k0 0Vad göra om
Definitioner, relativ konversion
'
,
kk kn nn
0
0
Definitioner, reaktionsgrad
n ni i i 0
Nyckelkomponenter
En eller fler komponenter väljs som nyckekomponenter
De övriga komponenternas koncentrationer kan uttryckas som funktion av nyckelkomponenternas koncentrationer (molmängd, molbråk, konversion)
Nyckelkomponenter
Simuleringsresultat
Kolvströmningsmodellen ger vanligen högre koncentrations-maximum av mellanprodukten R än återblandningsmodellen
R:s koncentration sjunker långsammare med ökad uppehållstid i återblandnings-reaktorn
Katalytiska tvåfas reaktorer
Heterogen katalytisk reaktor Fast katalysator som accelererar
reaktionen gas eller vätska
Molekylernas väg till katalysatorn diffusion till
katalysator-partikelns yttre yta
diffusion genom katalysatorns porer (ifall porös katalysator)
molekylerna når fram till de aktiva sätena
Molekylernas väg till katalysatorn
molekylerna adsorberas på de aktiva sätena och reagerar med varandra
produktmolekylerna desorberas och diffunderar ut ur katalysatorn
Koncentration och temperatur i katalysatorpartiklar
Reaktortyper
Packad bädd mest använd katalysator storlek mm - några cm små partiklar
kan åka iväg med gas/vätske strömmen ökar tryckförlusten
stora partiklar ökar diffusionsvägen till de aktiva sätena i
katalysatorporerna
Packad bädd
Processer
Kemisk basindustri Ångreformering Kolmonoxidkonvertering Metanering av kolmonoxid Oxidation av svaveldioxid Metanolsyntes Oxosyntes
Processer
Oljeraffinering Reformering Isomerisering Polymerisation Dehydrering Dearomatisering Avsvavling Hydrering krackning
Processer Petrokemisk industri etylenoxid etylenklorid vinylacetat butadien maleinsyreanhydrid ftalsyreanhydrid cyklohexan styren MTBE Hydrodealkylering
Nätbäddsreaktor”gauze-reactor”
Oxidation av ammoniak till kväveoxid Hög temperatur 890C Nätverk med Pt-katalysator
Bilavgaskatalysator
De aktiva ädelmetallerna Pt och Rd i ett bärarmaterial som är fäst på en keramisk eller metallisk monolit
Samma konstruktion kan också användas vid hydrerings och oxiderings reaktioner
Bilavgaskatalysator
Multibed reaktor
Flera seriekopplade katalysatorbäddar (ofta adiabatiska)
värmeväxlare mellan bäddarna lågt längd/diameter förhållande
Multibed reaktor
Ångreformering fig. 4.7
Oxidation av SO2 fig. 4.8 yttre värmeväxlare
Syntes av ammoniak fig 4.9 högt tryck 300 atm för gynsamt
jämviktsläge interna värmeväxlare
Ångreformering
Flerbäddreaktor, SO2 till SO3
ICI reaktor
Ammoniak framställning
Anläggning för produktion av 1500 t NH3/da Reaktorvolymen är ca 100 m3 och innehåller ca 250 ton katalysator.
Ammoniak framställning
Radiellt flöde
Multitubular reaktor
För starkt exoterma reaktioner skulle multibed konstruktionen kräva många bäddar (temperaturstegring)
Multitubular tusentals små rör (diameter: några cm)
koppals parallelt och placeras i en värmeväxlare innehållande t.ex. smält saltlösning
ex. oxidation av o-xylen fig. 4.12
Flertubreaktor
Flertubreaktor
Katalytisk hydrering
Hot spot
Hydrering av toluen
Oxidation av o-xylen
Hot spot’s beroende av kylmediets och tillflödets temperatur
Moving bed
Packad bäddfördelar
Strömningsförhållanden mycket nära kolvströmning --> hög omsättningsgrad
konstruktionen enkel inga rörliga delar behövs
Välkänd och komersiellt tillgänglig Optimering
reaktorkaskader katalysatorfördelning för att undvika
heta ställen
Packad bäddfördelar
Den matematiska modelleringen av en packad bädd är väl känd i dag
Prestanda kan beräknas tillförlitligt ifall de kinetiska och transportparametrarna är kända --> Inbesparingar vid planeringen av nya processer
Packad bädd nackdelar
Tryckförlust stor långa bäddar små katalysatorpartiklar
Hot spots temperaturen får ej överstiga den
maximala temperatur som konstruktionen och katalysatorn tål
kan undvikas genom t.ex. Ojämn katalysatorfördelning
Packad bädd nackdelar
Om katalysatorn deaktiveras måste enheten tas ur produktion medan katalysatorn byts ut katalytisk krackning vid
oljeraffineringsprocessen, koks bildas på zeolitkatalysatorn som därmed deaktiveras
Fluidiserad bädd Katalytisk krackning
reaktordel regenereringsdel
snabba reaktioner kort uppehållstid noggran temperaturkontroll (fungerar
isotermiskt) komplicerad dyr stömningsbilden mellan kolv och återblandning
Fluidiserad bädd Endel av gasen i bubbelfasen kan
passera utan att komma i kontakt med katalysatorn
Katalysatorpartiklarna mals söder, eller klumpas ihop
Reaktorväggarna slits (sandblästring med katalysator-partiklar)
Miljöaspekter, de mycket små katalysatorpartiklarna är svåra att separea från produkt-strömmen
Modeller för packad bädd
Pseudohomogen koncentration och temperatur i
katalysatorn på samma nivå som i gas/vätske (bulk) fasen
inga koncentrations och temperatur gradienter i katalysatorpartikeln
diffusionsmotståndet försumbart i katalysatorpartikeln
pordiffusionen kan beaktas genom att reaktionshastigheten korrigeras med effektivitetsfaktorn
Modeller för packad bädd
Heterogen skilda balansekvationer för bulk fasen
och gasen/vätskan i katalysatorpartikeln
Tvådimensionell Temperatur och koncentrations
gradienter i den radiella riktningen beaktas
Endimensionell kolvströmnings modell
, ,n r V ni in i B i out
, ,n n ni i out i in
[in] + [genererat i] = [ut] + [ackumulerat]
Endimensionell kolvströmnings modell
d n.
dv=ρB νR
Molekylernas diffusion genom fluidfilmen runtkatalysatorpartikeln samt deras diffusion i katalysatorns porer påverkar reaktionshastighetenReaktionshastigheten korrigeras med effektivitetsfaktorn
R j=ηej R j' cB
cB = bulkfasens koncentrationB = katalysatormassa / reaktorvolym
Katalysatorns bulkdensitet
Bcat
R
catalystmV
kgm
3
rmol
s mi Breactor volume
3
rmol
s kg catalysti ( )( )
EffektivitetsfaktornDefinitionFörhållandet mellan det verkliga ämnesflödet och det ämnesflöde som skulle uppnås om diffusionsmotståndet skulle saknas
η=N diff
N ej diff
i
isR
ib s
s r r dr
r R
10
1c
=1 om diffusionen inte påverkar
Diffusion i katalysatorpartikeln Molekylernas väg
diffusion genom fluidfilmen runt partikelns yta till partikelytan
diffusion in i partikelns porer + reaktion produktmolekylerna går den motsatta vägen
koncentrationen av reaktantmolekylerna är lägre i partikeln än i bulkfasen
Diffusion i porös partikel
Katalysatornsyta
Diffusion i porer
Ficks lag
N i=−Dei
dcidr
Ni flödet mol/(tid yta)Dei effektiv diffusionskoefficient
Massbalans för katalysatorpartikel
1r s
d Dei
dcidr
r sdr
r i ρ p=0
Om diffusionskoefficienten = konstant
d 2 ci
dr2sr
dcidr
=−ρ p r iDei
(48)
Formfaktorn sA p
V p
= s1R
R partikelns karakteristiska dimensionAp partikelns yttre ytaVp partikelns volym
Formfaktorn
S=1skiva
S=2cylinder
S=3sfär
Biots tal
BiM=RkGiDei
Förhållandet mellan diffusionsmotståndeti fluidfilmen och katalysatorpartikeln>>1 för porösa partiklar
Thiele modulen
φ2=−ν i ρ p k
Dei
R2 (60)
Förhållandet mellan reaktionshatighetenoch diffusions koefficienten
Effektivitetsfaktor
Asymptotiska effektivitetsfaktorer
Semianalytiska uttryck för godtycklig kinetik
God approximation om reaktionsordningen i avseende på reaktanten är positiv
ger fel om reaktionsordningen är negativ, reaktionen accelererar med sjunkande koncentration
Värmeeffekt i katalysatorpartikeln
Fouriers lag, (värmeledning) Katalysatorns effektiva
värmeledningsförmåga är vanligen så hög att temperatur-gradienten i partikeln är försumbar, ekv. 122
Temperatur gradient i fluidfilmen ekv. 125 liten ty filmen mycket tunn
Värmeeffekt i katalysatorpartikeln
Energibalansen och massbalansen för katalysator-partikeln är kopplade via reaktionshastigheten och de kan lösas numeriskt
Effektivitetsfaktorn kan få värden >1 vid starkt exoteriska reaktioner, hastighetskonstanten ökar med temperaturen inne i partikeln trots lägre koncentration
steady state multiplicity fig.4.24
Steady state multiplicity
Tvådimensionell modell
Om värmeeffekten p.g.a. kemiska reaktionen är stor och värmeledningsförmågan i katalysatorbädden är låg uppstår radiella temperaturgradienter reaktionshastigheten varierar då i radiell
riktning koncentrationsgradienter i radiell
riktning fig. 4.27
Tvådimensionell modelltemperaturprofil
Tvådimensionell modell
Ämnesmängdbalans [in kolvströmning] + [in radiell disp.]
+ [genererat] = [ut kolvströmning] + [ut radiell disp.]
1w0
d ciw
dz= aPemr d
2 ci
dζ 2 1ζ
dcidζ τρB r i
Tvådimensionell modell
Energibalans
dTdz
= τρ0 c p λ
R2 d 2Tdζ 2
1ζdTdζ ρB∑
jRj −ΔH rj
Numerisk lösning
Finite difference + (RK, Adams Moulton, Backward difference)
Orthogonal collocation
Fluidiserad bädd
Fluidisering fasta partiklar i en vertikal bädd gas blåses nerifrån vid låg gashastighet hålls partiklarna
orörliga vid högre gashastighet blir partiklarna
svävande bädden expanderar och partiklarna blir
suspenderade i gasfasen Minimum fluidiseringshastighet
Fluidiserad bädd
Ökas gashastigheten så bildas det gasbubblor (bubble phase) som är rik på på gas och fattig på katalysatorpartiklar
Emulsionsfas (emulsion phase) innehåller största delen av katalysatorpartiklarna
Den fluidiserad bädden ser ut som en kokande vätska
Fluidiserad bädd
Om gashastigheten ytterligare ökas blir bubblornas diameter = bäddens diameter (slug flow) gränshastighet för slug flow = ws
Fluidiserad bäddTryckförlusten
Fluidiseringsfenomenet kan följas genoma att tryckrörlusten mäts
I en packad bädd stiger tryckförlusten monotont med gashastigheten (ex Ergun ekvationen)
Vid minimum fluidiserings-hastighet stannar ökningen och tryckförlusten förblir på denna nivå. Fig. 4.31
Fluidiserad bäddHydrodynamik
Bubble phase Emulsion phase (partiklarna) Wake (partikelrikt område) Cloud (Moln)
Reaktion sker på alla ställen på partiklarnas yta, i emulsion,
bubbel, moln och wake fasen
Fluidiserad bäddMatematisk modell
En realistisk modell måste omfatta skilda balansbetraktelser för varje fas
Katalysatorpartiklarna är mycket små så de yttre och inre transportprocesserna i katalysatorpartikeln kan försummas
Omblandningen medför att temperaturen konstant
Fluidiserad bäddMatematisk modell
Kolvströmningsmodell ekv (8)-(13) orealistisk men ger max. prestanda
Återblandningsmodell
även tankseriemodell
n.
0 iρB r iV R=n.
i
Fluidiserad bäddMatematisk modell
Kunii-Levenspiel modell mest realistiska beskrivningen bubbelfasen antas strömma i
kolvströmning gasströmmen i emulsionsfasen är
negligerbar moln och wakefasen antas ha samma
sammansättning
Kunii-Levenspiel modellen
Transporten av en reagerande gas sker från bubbelfasen till moln och wakefasen och därifrån vidare till emulsionsfasen Fig. 4.33
Volymelementet består av tre delar
ΔV=ΔV bΔV cΔV e
Bubbelfasen (241)
Molnfasen (242)
Emulsionsfasen (243)
Kunii-Levenspiel modellen, massbalanser
dcbdτb
=υ ρBb RbρBc Rc
V c
V b
ρBe Re
V e
V b K bc cb−ce−K be cc−ceυRc ρBc
V c
V b
=0
K ce cc−ceυRe ρBe
V e
V b
=0
Kunii-Levenspiellösningsmetoder
3 * N ämnesmängdbalanser (N= antal komponenter)
1 * N ordinära diff. ekvationer 2*N algebraiska ekvationer För första ordningens reaktioner kan
analytiska uttryck härledas
Kunii-LevenspielÖverföringskoefficienter
Kbc och Kbe fås med korrelationsekvationer (270), (271)
Volymandelarna Vc/Vb och Ve/Vb fås med korrelationsekvationer
Bubblornas medeluppehållstid (247)
τb=Lwb
Kunii-Levenspielmodelljämförelse
Figur 4.34, första ordningens reaktion A P Kolvströmningsmodellen ger högsta
osättningsgraden Återblandningsmodellen ger inte minsta
omsättningsgraden små bubblor kolvströmning stora bubblor mindreomsättningsgrad
Diffusionskoefficienten
Beroende av komponenterna koncentrationsgradienter
Ficks lag ger ett enkelt samband mellan diffusionsflödet och koncentrationsgradienten
Gäller bäst för komponenter i utspädda gaser ( låga koncentrationer)
N i=Dei
dcidx
Diffusionskoefficienten
Effektiv diffusionskoefficient i en porös partikel
Di molekylär diffusions- koefficient
pporositet 1 p tortuositet, (labyrint-faktor
Dei=ε p
τ p
Di
Effektiva diffusionskoefficienten
Diffusionskoefficienten
Intermolekylär diffusion kollisioner mellan molekylerna
Knudsen diffusion molekylerna krockar med
katalysatorpartikeln porväggar
Di=1Dmi
1Dki
Fuller-Schettler-Giddings ekvation
T Temperatur M Molvikt v Volymbidrag
DiffusionskoefficientenGasfas
Dik= TK
1 . 75
g /molM i
g /molM k ⋅10−7 m2 / s
Patm v i1 /3vk
1 /32
DiffusionskoefficientenGasfas
Knudsens diffusionskoefficient
Sg partikelns specifika area som kan bestämmas med BET (Brunauer-Emmet-Teller) teorin
Dki=8 ε p
3S g ρ p 2 RTπM i
Diffusionskoefficienten
Diffusionskoefficienten kan estimeras med dessa ekvationer
Porositeten kan bestämmas med kväve och kvicksilver-porosimetri
Bästa sättet är dock att använda experimentella värden på diffusionskoefficienten
DiffusionskoefficientenVätskor
Ej lika välutvecklad teori som för gaser
Teori för beräkning av binära diffusionskoefficienter i vätskefas saknas
Korrelationer som beskriver ett löst ämne i ett lösningsmedel
Olika korrelationer för neutrala molekyler och joner
DiffusionskoefficientenVätskor
Stokes-Einstein ekvationen
Molekylens radie RA är svår att uppskatta
DAB=RT
6 πμB RA
DiffusionskoefficientenVätskor
Wilke-Chang ekvationen
VA det lösta ämnets molära volym vid den
normala kokpunkten B lösningsmedlets
viskositet cP (centi Poise)
DAB=7 . 4 ⋅10−12 φM B
g /mol TK μB
cP V A0 . 6
m2 / s
DiffusionskoefficientenVätskor
Wilke-Chang ekvationen har utvidgats så att den gäller för blandningar av olika lösningsmedel
Uppskattning av associations-faktorn Tumregel vatten 2.6 metanol 1.9 etanol 1.5 oassocierade lösningsmedel 1.0
Viskositeten
Använd experimentella data ifall tillgängliga
Korrelationsekvationer
A, B, C och D finns tabellerade
ln μ =AB /TC⋅TD⋅T 2
DiffusionskoefficientenElektrolytlösningar
Anjonerna och katjonerna diffunderar med samma hastighet för att elektro-neutralitetn skall bibehållas
Nernst ekvation för en fullständigt dissocierad jon i en oändligt utspädd lösning
z valens konduktans (tabellerad)
D0=8 .931⋅10−14 TK λ0 λ−
0
λ0 λ−
0 z0 z−0
z0 z−
0 m2 / s
DiffusionskoefficientenElektrolytlösningar
I reella elektrolytlösningar rekommenderas följande korrektion
m molalitet (mol elektrolyt/kg vatten
aktivitetskoefficient
D=D01md ln γ±dm 1
cH 2OV−
H 2O
μH 2O
μ