reaktör tasarım raporu (kımse dokunmasın)

8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)

1/27

1. GR

Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm hemen hemen btn endstriyel kimyasal retiminin

kalbidir. Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm bilgisi, kimya mhendislerini dier

mhendislerden ayran en nemli bilgidir. ok gvenli ve verimli olarak alan bir tepkimesisteminin seimi kimyasal madde reten bir fabrikann ekonomik baarsnn veya

baarszlnn anahtar olabilir.

ndstriyel proseslerde en ok k!llanlan reaktr tipi srekli olarak kartrlan ve alan

bir tanktr. "! tip reaktrler tam kartrmal tank reaktr #$%&'( veya geri kartrmal

reaktr #")'( olarak bilinir.

Kesiksiz ve geri beslemeli #$%&'( reaktrlerden baka endstride en ok k!llanlan dier

bir reaktr tipi bor!sal reaktrdr. "! silindir eklinde bir bor!dan ibarettir ve normalde$%&' gibi karar bir halde alr.

"ize verilen tasarm devinde tepkimemiz piston akl bir reaktrde gereklemektedir.

&epkime yksek basn altnda sv fazda *+ K s-aklkta gereklemektedir ve spesifik

tepkime hz / h01olarak verilmitir. 2dyabatik olarak yryen tepkime ieriinin 3 1 4!

inert davran sergilemektedir. &epkime sonrasnda 1 kmol5gn kapasite ve ./ dnm

istenmektedir. "! tepkime iin gerekli olan 62' tasarmn gerekletirmemiz

beklenmektedir.

1


2/27

2. KURAMSAL TEMELLER

2.1. GR

Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm hemen hemen btn endstriyel kimyasal retiminin

kalbidir. Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm bilgisi, kimya mhendislerini dier

mhendislerden ayran en nemli bilgidir. ok gvenli ve verimli olarak alan bir tepkime

sisteminin seimi kimyasal madde reten bir fabrikann ekonomik baarsnn veya

baarszlnn anahtar olabilir. 7rnein, eer bir tepkime sistemi ok miktarda istenmeyenrn verirse, sonradan yaplmas gereken asl rnn ayrlmas ve saflatrlmas tm prosesi

ekonomik olarak imkansz hale getirir.

Kimyasal tepkime mhendislii kon!lar, mekanizma ile birlikte kimyasal tepkimelerin

ol!ma hzlarn ve tepkimenin ilerleyiini kontrol eden hz snrlay- basamaklarn

kapsamaktadr. 8retim amalarna !laabilmek iin kimyasal reaktrn bykl nemli bir

kon!d!r. "ir kimyasal proses tasarm-s iin, reaktr iindeki maddelerin hem kimyasal hem

de fiziksel olarak nasl davrand, kimyasal reaktrlerden elde edilen verilerin naslkaydedildii, ilendii ve yor!mland kadar nemlidir.

Kimyasal tepkime hzlar ve reaktr tasarmn etkileyen ko!llar belirtilmeden n-e, bir

tepkime sistemine giren ve kan eitli kimyasal trlerin aklanmas gerekir. %z kon!s!

olan b! d!r!m, tepkimeye giren sistem iindeki her bir tr hakkndaki btn mol

denkliklerinin k!r!lmasyla salanr. &epkimeye giren, kan veya tepkime sistemi iinde

tepkimeye girmeden kalan herhangi bir tre !yg!lanabile-ek genel bir mol denklii

gelitirilmitir. &epkime hz, 0r2, tanmlandktan sonra ve tepkime hzn !yg!n bir ekilde

tanmlarken ortaya kan zorl!klar gz nne alnarak genel denklik eitlii, en ok bilinen

endstriyel reaktrler olan kesikli, srekli kartrlan tank #$%&'( ve bor!sal reaktrler iin

esas tasarm eitliklerinin karlmasnda nemli rol oynamaktadr.


3/27

2.2. KMYASAL KNETK VE REAKTR TASARIMI

2.2.1 MOL DENKLKLER

2.2.1.1 Tepkime Hz! "#A! T$m"ir kimyasal trn yani belli bir kimlie sahip olan bir kimyasal bileik veya elementin

kimlii o trn atom eidi, says ve dizilii #konfigrasyon!( tarafndan belirlenir.

9ki kimyasal bileik tam olarak ayn sayda ayn elementlerden meydana gelse bile, onlar

farkl dizililerinden dolay yine de iki farkl tr olabilir. 7rnein, 0bten , drt karbon ve

sekiz hidro:en atom!na sahiptir fakat b! bileikteki atomlar $is00bten ve &rans00bten

eklinde iki farkl molekl ol!t!rabilir. ;arkl diziliin bir son!-! olarak, b! iki izomer

farkl kimyasal ve fiziksel zellikler gsterirler. "elirlenebilir sayda bir veya birok trnkimliini kaybettii veya bileikteki atomlarn say ve trlerinde veya b! atomlarn yapsnda

ve dzeninde bir deiiklik son!-! yeni bir yap ol!t!! zaman kimyasal tepkime meydana

gelmi demektir.

"! klasik kimyasal yaklamnda, 4 bir kimyasal tepkime old!! zaman toplam ktlenin

ne yok old!! ne de yoktan var old!!< kab!l edilmitir. %z edilen ktle sistemde b!l!nan

btn trlerin toplam ktlesidir. ;akat, belli bir tepkimede tek tek b!l!nan her bir tr

dnld zaman, belli bir trn ktlesinin kaybolma hzndan sz edilir. Ksa-a belirtmekgerekirse, molekller kimyasal kimliklerini kaybettikleri zaman, belli bir trn bir veya belli

sayda molekl tepkimeye girer veya kaybol!r.

=etero:en tepkime sistemlerinde, tepkime hz genellikle tepkime yzey alan veya

katalizr arl lmleri -insinden ifade edilmektedir. "!na gre, kat0gaz katalitik

tepkimesi iin b! hzn boy!t!, 0r2#mol5g.katalizr.s(, katalizrn birim ktlesi bana birim

zamanda tepkimeye giren 2< nn mol saysdr.

Kimyasal tepkime hznn matematiksel tanm yllardr kimya ve kimya mhendislii

literatrnde bir karkln nedeni olm!t!r. "! karkln asl nedeni, kimyasal tepkime

hz verilerini elde etmek iin laborat!ar lekli deneylerin yaplmasndan ileri gelir. "! ilk

deneyler tepkime kab kapal ve sabit olan kesikli tip deneylerdir. "!n!n son!-! olarak

meydana gelen tepkime de sabit ha-im altnda olmaktadr. &epkime girdileri t> annda hep

birlikte kartrlp girdilerden birinin deriimi, $2, deiik t zamanlarnda llmektedir.

&epkime hz zamann bir fonksiyon! olarak $2 erisinin eiminden belirlenir. "irim

ha-imdeki 2< nn ol!!m hz r2ol!rsa o zaman kimyasal tepkime hz?

r2> d$25 dt

*


4/27

olarak tanmlanr. ;akat b! tanm sade-e sabit ha-imli kesikli reaktrler iin k!llanlr.

Kimyasal tepkime hz bir iddet bykldr ve s-aklk ile deriime baldr. &epkime

hz eitlii aslnda deriim ieren bir -ebirsel eitliktir, diferansiyel eitlik deildir. 7rnein,

rnlerAtepkimesinin @r2hz eitliinin -ebirsel ekli

0r2> k$2

deriiminin dor!sal bir fonksiyon! olabilir,

0r2> k1$25 #1Ak$2(

gibi dier birka deriimin -ebirsel fonksiyon! olabilir.

2.2.1.2 Gee% M&% Dek%ik E'i(%i)i

=erhangi bir sistem iin bir mol denklii k!rmak iin ilk n-e sistemin snrlar

belirlenmelidir. "! snrlar tarafndan evrilen ha-im sistem ha-mi olarak ifade edilmektedir.

"ir sistem ha-mindeki : trne gre mol denklii k!r!l!r.

=erhangi bir t zamannda : tr iin mol denklii aadaki denklii verirB

%isteme giren %istemde kimyasal :< nin sistem :< nin sistemdetrlerin ak A tepkime ile ol!an 0 dna k > birikme hz

hz :< nin ol!ma hz hz

;:oA C:@ ;:> dD:5 dt

"!rada, D: , t annda sistemdeki : trnn mol saysdr. er, tm sistem deikenleri

#rnein s-aklk, katalizr aktiflii, kimyasal trlerin deriimi( sistemin batan sona tm

ha-minde ayn ol!rsa, : trnn ol!!m hz, C:, tepkime ha-mi E ile : trnn ol!!m hz

r: r:E

&epkimeye giren madde zelliklerinin #rnein deriim, s-aklk( reaktrdeki farkl

kon!mlarda farkl deerlere sahip olmalarndan dolay, r: , dor!dan kon!m!n!n bir

fonksiyon!d!r.

=erhangi bir E sistem ha-mine giren, kan, tepkimeye giren veya biriken bir : kimyasal

tr iin genel mol denklik eitliinin integral eklini elde etmek iin C: eitlikte yerine

kon!rsa?

;:o@ ;:A F r:dE > dD:5 dt

G


5/27

"! genel mol denklik eitliinden kesikli, yar kesikli, kesiksiz ak reaktrleri gibi eitli

tipteki endstriyel reaktrlerin tasarm eitlikleri gelitirilir. "! eitlikleri deerlendirerek,

girdilerin belli miktarlarn rnlere dntrmek iin gereken zaman #kesikli reaktrlerde(

veya reaktr ha-mi #kesiksiz ak reaktrlerinde( belirlenir.2.2.1.* Ke+ik%i ,-$(/0 Re$k(#%e#

Kesikli bir reaktrde tepkime ol!rken girdi veya rnlerin ne ie dor! ne de da dor!

bir ak vardr? b! nedenle ;:o> ;:> ol!r. : tr iin elde edilen genel mol denklii,

dD:5dt > F r:dE

eklindedir. er, tepkime karm tm reaktr ha-mi boy!n-a tepkime hznda hibir

deiiklik olmaya-ak ekilde tam kartrlrsa, o zaman r:sabit old!! iin integral dna

alnarak mol denklii aadaki gibi ol!rBdD:5 dt > r:E

Caz tepkimeleri iin kesikli reaktrler

Hekilde, gaz faz tepkimeleri iin k!llanlan iki tip kesikli reaktr gstermektedir.'eaktr 2 sabit ha-imli #deiken basnl( reaktr ve reaktr " ise sabit basnl #deiken

ha-imli( reaktrdr. t> annda tm girdiler reaktre verilir ve tepkime balar.

2.2.1. Ke+ik+iz Ak' Re$k(#%e#i

T$m K$#'(#m$% T$k Re$k(# ,3STR0

ndstriyel proseslerde en ok k!llanlan reaktr tipi srekli olarak kartrlan ve alan

bir tanktr. "! tip reaktrler tam kartrmal tank reaktr #$%&'( veya geri kartrmal

reaktr #")'( olarak bilinir. $%&' normalde kararl halde iler ve genellikle old!ka iyi birkartrma salanr. "! son zelliin bir son!-! olarak, $%&' genel olarak kabn her

-$+4%4e#

H$#eke(%ipi+(&

A

-

/


6/27

yerindeki deriim, s-aklk ve tepkime hznda herhangi bir kon!msal deime olmayan

reaktrlere rnek alnr. %-aklk ve deriim tepkime kabnn her yerinde ayn olmasndan

dolay, tankn k noktasndaki s-aklk ve deriim de dier yerlerle ayndr. "!na gre,

k akmndaki s-aklk ve deriim ile reaktr iindeki deriim ve s-akln ayn old!!kab!l edilir. Kartrmann ok ideal yani tam olmayan sistemlere tam kartrmal model

!yg!n deildir ve anlaml son!larn elde edilmesi iin alkon!lma sresi dalm gibi baka

modelleme tekniklerine bav!r!lmas gerekir.


eklindeki genel mol denklik eitlii kararl halde alan bir $%&' reaktrne

!yg!land zaman,

dD: 5 dt > ol!r.

&epkime hznda kon!msal bir deime olmaz yani, F r:dE > Er: dir. "! $%&' iin

tasarm eitlii olarak bilinen allm?

E> #;:o@ ;:( 5 0r: eklini alr.

$%&' tasarm eitlii, : trnn giriteki ;:oak hzn ktaki ;:hzna indirmek iin

gereken ha-mi verir. $%&' de k akmndaki ko!llar #rnein s-aklk( tank iindekiler

ile ayn olarak modellenmelidir. )olar ak hz ;:, :< nin deriimi ve ha-imsel ak hz E $:.E

Cirdiler

8rnler

&am kartrmal tank reaktr

+


7/27

-+$% Re$k(#

Kesiksiz ve geri beslemeli #$%&'( reaktrlerden baka endstride en ok k!llanlan dier

bir reaktr tipi bor!sal reaktrdr. "! silindir eklinde bir bor!dan ibarettir ve normalde

$%&' gibi karar bir halde alr."or!sal reaktrde girdiler reaktr boy!n-a akarken srekli olarak har-anr. "or!sal

reaktrn modellemesinde deriimin reaktr boy!n-a eksen ynnde srekli olarak deitii

kab!l edilir. %on! olarak, btn sfrn- mertebeden tepkimeler hari deriimin bir

fonksiyon! olan tepkime hz da eksen boy!n-a deie-ektir.


6;'< nin tasarm eitliini gelitirmek iin kavramsal olarak reaktr her birinin iinde

kon!msal olarak tepkime hz ayn olan alt ha-imlere, IE, ayrlr.

Iy

;:o ;:

y Iy

IE

;:#y( ;:#yA Iy(

67R

y !zaklndaki IE alt ha-minin giriinde : trnn molar ak hz ;:#y( ile #yAIy(

!zaklndaki IE ha-minin kndaki molar ak hz da ;:#yAIy( ile gsterilirse, kon!msal

olarak !niform olan IE alt ha-minde?

F r:dE > r:IE

ol!r. Kararl halde alan bir bor!sal akm reaktrnde, dD: 5 dt > old!!ndan?

;:#y(@ ;:#yAIy(A r:IE >

ol!r. "! nedenle r:, y< nin dolaysyla bir fonksiyon!d!r. Jaha dor!s!, reaktr de

kon!m!n!n bir fonksiyon! olan girdi deriiminin bir fonksiyon!d!r. IE ha-mi kesit alan,

2, ile reaktr !z!nl!!, Iy< nin arpmdr.

IE > 2.Iy


8/27

jyjyyj AryFF = + 5(#(#

elde etmek iin Iy< ye bleriz.

dxdfxff xyxxx 55lim (#(# =+

Iy, sfra giderken limit olarak,

0d;:5dy > 02r:

Cenellikle, bamsz deiken olarak reaktr !z!nl!! #y(< den daha ok reaktr ha-mine

#E( sahip olmak en !yg!n yold!r.

'eaktr boy!n-a 2 kesit alan deien reaktrlerde tasarm eitliinin aynen kala-ana

dikkat edilmelidir. 2adaki ekilde gsterilen reaktr iin b! eitlik dor!sal bir y

ekseninden daha ok E ha-im eksenini k!llanarak genelletirilebilir. : tr E ha-mini batan

sona getikten sonra ;:#E( molar ak hznn da E< deki IE ha-mine girer. 2lt ha-im iinde

tepkime hznda kon!msal deime olmad iin n-eki gibi IE old!ka kk seilir.

VrdVrG jjj ==

Kararl alma dikkate alnarak eitlik yeniden dzenlenirse?

;:#E(@ ;:#EAIE(A r:IE >

#;:#EAIE(@ ;:#E(5 IE > r:

&asarm eitliinin !yg!lamasndan karlan son! nemlidir. 6iston akl bor!sal

reaktr #6;'(< de !lalan tepkime ilerleme dere-esi on!n ekline bal deil sade-e toplam

ha-mine baldr.

2.2.1.8 E9:+(#i;e% Re$k(#%e#

Kesikli reaktrler, gelitirilmekte olan yeni prosesleri denemek, pahal rnleri retmek,

kesiksiz ilemler ile dnm zor olan prosesleri gerekletirmek ama-yla yaplan kk

lekli almalarda k!llanlr. Kesikli reaktr, girdilerin !z!n zaman aralklaryla reaktr

terk etmesi nedeniyle, elde edilen yksek dnm avanta:na sahiptir. ;akat, birim retim

bana yksek iilik maliyeti ve byk lekli retim zorl!! gibi sakn-alara da sahiptir.

Lar kesikli bir reaktr aslnda kesikli reaktr ile ayn stnlklere sahiptir. ;akat onlara

ek olarak iyi bir s-aklk kontrol ve girdilerden birinin dk bir deriimde olmas sayesinde

istenmeyen yan tepkimelerin en aza indirilmesi yetenei gibi stnlkleri de vardr. Lar

kesikli reaktr genellikle sv iinden srekli olarak kabar-klar halinde geen bir gaz

tepkimesi iin old!! gibi iki fazl tepkimeler iin de k!llanlabilir.

%rekli kartrlan tank reaktr #$%&'(, yo!n alkalama gerektii zaman k!llanlr.

$%&' ya tek bana ya da bir $%&' bataryasnn veya serisinin bir paras olarak k!llanlr.

M


9/27

$%&' de iyi bir s-aklk kontrol yapmak dierlerine gre kolaydr. ;akat reaktrn birim

ha-mi bana girdi dnm bakmndan ak reaktrleri arasnda en dk olma

sakn-asna da sahiptir. %on! olarak, yksek dnm oranlar elde etmek iin ok byk

reaktrler gerekir."or!sal reaktr #yani piston akl reaktr, 6;',(< n bakm hibir paras hareket

etmedii iin nispeten kolaydr ve genellikle ak reaktrlerinin herhangi birisinin birim

reaktr ha-mi bana en yksek dnm orann salar. "or!sal reaktrn sakn-as, reaktr

iinde s-aklk kontrolnn zor olmasdr ve tepkime s veren tepkime old!! zaman s-ak

noktalar olabilir. "or!sal reaktr o!nl!kla ya !z!n bir tp eklinde veya tpler dizisi

olarak dzenlenmi daha ksa reaktrlerden birisi olarak b!l!n!r. n homo:en sv fazl ak

reaktrleri $%&'


10/27

byk harfler kimyasal trleri, kk harfler stokiyometrik katsaylar gstermektedir.

=esaplama temeli olarak 2 tr ele alnrsa, tepkime eitliini?

DadCacBabA (5#(5#(5# ++

eklinde ifade edebilmek iin tepkime eitliini 2 trnn stokiyometrik katsaysnablnr. "! temele gre her bir byklk 4mol 2 bana< ol!r.

&epkimedeki trlerin her birinin mol says ile dierleri arasnda bir bant k!rmann en

!yg!n yol!, dnm oran denilen bir bykln k!llanlmasdr. Jnm oran, O 2,

balangtaki 2< nn bir mol bana tepkimeye girmi olan 2< nn mol saysdr.

O2> &epkimeye giren 2< nn mol says 5 "eslenen 2< nn mol says

"!radan dnm oran tanm eitlii O2> #D2o0 D2( 5 D2ool!r.

Kolay ve ksa olmas iin, biz 2 alt indisi atlr. O > O2ol!r. ;akat okl! tepkimeler vebelli baz tepkime emalar sz kon!s! old!! zaman alt indisler dikkate alnr.

2.2.2. TASARIM ETLKLER

2.2.2.1 Ke+ik%i Si+(em%e#

"irok kesikli reaktrde bir girdi dierlerine gre daha !z!n sre reaktrde kalr,

o!nl!kla girdi ya bir dengeye !lan-aya kadar ya da girdinin birisi tkenin-eye kadar

rne dnr. %on! olarak, kesikli sistemlerde dnm oran, O, girdilerin reaktrde

kald zamann bir fonksiyon!d!r. er D2obalangtaki 2< nn mol says ise, o zaman tsresinden sonra tepkimeye girmi olan 2< nn toplam mol says #D2o.O( dr.

# =ar-anan 2 mol says ( > # "eslenen 2 mol says (.# &epkimeye giren 2 mol

says5"eslenen 2 mol says (

# &epkimeye giren 2 mol says ( > # D2o.O ( ol!r.

imdi, t sre sonra reaktrde kalan 2< nn mol says D2ove O -insinden ifade edilebilir.

# t srede reaktrdeki 2 mol says ( > #t> da reaktre beslenen balang mol says(0

# &epkime ile har-anan 2 mol says (

# D2( > # D2o( @ # D2o.O (

O dnm oranna !latktan sonra reaktrdeki 2< nn mol says?

D2> D2o@ D2o.O > D2o# 10O (

%-aklk ve deriimde hibir kon!msal deiiklik olmad zaman kesikli bir sistem iin

2 trne gre mol denklii aadaki eitlie indirgenir.

VrdtdN AA .5 =

"! eitlik, tepkime ha-mi sabit ols!n olmasn geerlidir. Cenel tepkimede,

2A#b5a(" #-5a($A#d5a(J

1


11/27

2 girdisi har-anp tkenmektedir. "! nedenle,

0dD25dt> #0r2(E

eklinde kesikli reaktr mol denkliini elde etmek iin steki eitliin her iki taraf 01 ile

arplr.2 k$2$"hz eitlii ile verilmelidir.

Kesikli reaktrler iin, belli bir dnm oranna !lalmas iin girdilerin reaktrde ne

kadar kaldklar ile ilgilenmeliyiz. "! zaman belirlemek iin, D 2o0 D2o#dO5dt(

"! son!-!n y!kardaki eitlik ile birletirilmesi ile bir kesikli reaktrn diferansiyel

tasarm eitlii elde edilir.

0D2o#dO5dt(>r2E

'eaktr analizlerinde sk sk karlalan tasarm eitlerinin diferansiyel ekli, zellikle de

tepkime hz verilerinin yor!m! da faydaldr. %abit ha-imli reaktrler endstride ok sk

k!llanlr. Kk lekli retim istendii zaman veya kesikli sistemlerde alma glkleriold!! zaman, tepkime srasndaki ha-im deiimleri nemsiz olan sv fazndaki tepkimeler

o!nl!kla kesikli reaktrlerde gerekletirilir.

2dyabatik ya da izotermal reaktrlerde tepkime ilerlerken ha-mi deien kesikli reaktr

sistemlerinde ha-im genellikle ya sade-e zamann bir fonksiyon! olarak ya da yalnz-a

dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade edilebilir. %on!nda aada belirtildii gibi bir

diferansiyel denklem elde edilir.

Edt> D2o.dO 5 0r2

"! eitlikler tepkimenin balad zaman ile herhangi bir t zaman arasnda integre edilir.

E>E1 AEsin Rt eitliine gre tepkimeye giren gazn bir piston ile bastrlmas gibi baz d

etkiler ile ha-im zel bir ekilde deitirildii zaman, dnm oran ile zaman birbirine

balamada k!llanlabile-ek eitlik,

=x

A

t

radxNVdt

5 dir.

"!n!nla beraber, ha-mi zamann n-eden deerlendirilmi bir fonksiyon! olmayan daha

genel bir kesikli reaktr iin. S dnm oranna !lamak iin gereken zaman,

11


12/27

=(#

(5(5#

tx

Ao VradxNt eitlii ile verilir.

2.2.*. HI= YASALARI VE STOKOMETR

Kesikli bir reaktrde belli bir O dnm oranna !lamak iin gereken zamann

hesaplanmas veya bir ak sisteminde verilen dnm oranna !lamak iin gereken reaktr

ha-minin hesaplanmas iin dnm orannn bir fonksiyon! olarak tepkime hznn

bilinmesi gerekir. &epkime hznn tepkimeye giren trlerin deriimlerine ball ve

deriime bal hz yasasndan dnme bal hz yasasna nasl dntrle-ei hakknda

bilgiler aada verilmektedir.

2.2.*.1. Teme% T$m%$#

=omo:en tepkime sade-e bir tek faz ieren tepkimedir. =etero:en tepkime ise birden ok

faz ieren tepkimedir ve genellikle fazlar arasndaki yzeyde veya ok yaknda ol!r.

&ersinmez tepkime sade-e bir ynde yryen ve girdiler tkenin-eye kadar devam eden bir

tepkimedir. Jier taraftan tersinir tepkime belli denge deriimlerine karlk gelen girdi ve

rnlerin deriimlerine bal olarak ayn anda her iki ynde de yryen tepkimedir.

&ersinmez bir tepkime denge ko!llar yokm! gibi davranr. Jaha kesin kon!!rsak,tamamen tersinmez tepkime yokt!r ama birok tepkimede denge noktas tersinmez tepkime

saylabile-ek kadar saa kayar.

Tepkime Hz S$>i(i

2adaki paragrafta ele alnan kimyasal tepkimelerde, tepkime son!-! kaybolan

girdilerden birisi olan 2 trnn hesaplama temeli olarak almaktayz. Cenellikle snrlay-

girdi hesaplama temelimiz olarak seilir. 2


13/27

fonksiyon! da olabilir ve b!na ek olarak iyonik k!vvet ve z- seimi gibi dier

parametrelerde baldr. Dormal olarak b! dier deikenler spesifik tepkime hzna

s-akln etkisinden ok daha az etki gsterir. "! nedenle b!rada s!n!lan bilgileri

amalarna !yg!n olarak knstel faktr veya frekans faktr

>aktifleme ener:isi,:5mol veya -al5mol'>gaz sabiti,>M,*1GU5mol.K>1,NM -al5mol.K

&>m!tlak s-aklk,K

2rrheni!s eitlii olarak bilinen eitlik #*0( old!ka geni bir s-aklk aralnda

deneysel hata snrlar iinde bir ok tepkime hz sabitinin s-akla kar davran verilerek

deneylerle dor!lanmtr.

2ktifleme ener:isi, , tepkime balamadan n-e tepkimeye giren molekllerin sahip

olmas gereken en az ener:iye eit saylmtr. Cazlarn kinetik k!ramndan, e05'&

faktr enaz ener:i


14/27

k #&(>2


15/27

DT Pt DAT

dir ve kinetik hz yasas yledir.

W1 O

ON

ON

Ck

kCr

+=

hem k hem de k< k!vvetli bir ekilde s-akla baldr. "ir hz ifadesi y!karda yazld gibi

old!!nda, belli snrlay- ko!llar altnda bir tepkimeden sz edilir.

%pesifik tepkime hz, k,k $2 k>s01 #*0(

9kin-i dere-e B 0r2>k AC. k>dm*5mol.s #*0M(

8n- dere-e B 0r2>k AC* k>#dm*5mol(.s01 #*0N(

ok sayda gaz ve sv tepkimeleri iin aktifleme ener:isi, frekans faktr ve tepkime

dere-esi Dational "!rea! %tandart


16/27

Ynimolekler tepkimenin en sk rastlanan rnei, tory!m ve hely!m vermek zere

kendiliinden olan !rany!m 0*Mr",iAr",g #*01*(

r">0k1 ...

HDB CCkC + #*01G(

1+


17/27

eitlik #*01G(n her iki tarafn#01( ile arparak benzenin har-anma hz,0r", iin hz

yasasn elde ederizB

0r">k1..

(5# .1.

1.

.

HDB

HDB CCkkCkCCkC =

#*01/(

0r">k1 cHDB "CCC 5#

.

.

#*01+(

b!rada k15k>K->deriime gre denge sabitidir.

Jenge sabiti s veren tepkimeler iin s-akln artmasyla azalr ve s alan tepkimelerde

s-akln artmasyla artar.

S(&ki&me(#ik T$>%&

=er hz yasas birden fazla tre bal ise, farkl trlerin her birinin deriimleri arasnda bir

iliki k!r!l!r. "! iliki stokiometrik tablo yardm ile kolay-a k!r!labilir. "! tablo tek bir

tepkime de tepkimeye giren molekller arasndaki stokiometrik balantlar gsterir. Lani

bize bir kimyasal tepkime srasnda baka bir trn belli sayda molekl kaybol!rken bir

trn ka molekl ol!a-an syler. "! bantlar genel bir tepkime hz iin tretile-ektir.

a2Ab" -$AdJ #*01(

Line hesaplama temeli olarak 2 alnrsa, tm stokiometrik katsaylar 2


18/27

"elirli

trler

"alangtaki

mol says

Jeiim Kalan mol says

2A

N 0

(.# #N oA

D2> AN 0 (.# #N oA

"O

BN 0#b5a(

(.# #NoA

D"> BN 0#b5a( (.# #N oA

$oC

N A#-5a(

(.# #NoA

D$> #NacN oaC .(5# +

JoD

N A#d5a(

(.# #NoA

DJ> #NadN oo AD .(5#+

2.2.*.2 S$>i( H$im%i Tepkime Si+(em%e#i

&epkime ilerlerken tepkimeye giren sistem hibir ha-im deiimine !ramazsa,

eitliklerin bazlarn basitletirmemiz mmkndr. "! sistemlere ya ha-min ya da

yo!nl!!n tepkime ilerlerken sabit kalmasndan dolay sabit ha-imli veya sabit yo!nl!kl!

sistemler denir. Caz fazndaki kesikli sistemlerde, reaktr genellikle iindeki basn veya

s-akl lmek iin !yg!n aletler ile kapatlm bir kaptr. "! kabn iindeki ha-im sabittir

ve deiemeye-ektir b! yzden sabit ha-imli bir sistemdir. Zaborat!arlardaki bomba tipli

reaktr b! tip reaktrler tipine bir rnektir.

%abit ha-imde gaz faz tepkimesi prosesin dier bir rnei rnlerin mol saylar

girdilerin mol saylarna eit old!! zaman ol!r. Kmrn gazlatrlmasnda ve dier birok

proseste nemli olan s!0gaz deitirme tepkimesi b!nlardan biridir.

$TA=T $TA=

"! tepkimede mol girdi mol rn ol!!r. Cirdi molekllerinin says ayn basn ve

s-aklkta rn molekllerinin says ile eit old!! zaman, eer ko!llar ideal gaz yasasnn

!yg!lanabile-ei ko!llar ise veya rn ve girdilerin sktrlabilme faktr yaklak olarak

eitse, tepkime karmnn ha-mi deimeye-ektir.

zeltide olan sv faz tepkimeleri iin, z- genellikle d!r!ma hakimdir. %on!

olarak, znenin yo!nl!!ndaki deime, zeltinin toplam yo!nl!!n! pek etkilemez ve

b! yzden o aslnda sabit ha-imli bir tepkime prosesidir. o! sv fazdaki organik

tepkimeler tepkime srasnda yo!nl!klarn pek deitirmez ve hala sabit ha-im

basitletirmesi !yg!lanabile-ek baka bir hali temsil ederler. "! genel k!raln nemli bir

ayr-al polimerleme prosesleridir.

1M


19/27

L!karda tanmlanan sabit ha-imli sistemler iin,deriim ve dnm birbirine balayan

ifadeler aada gsterilmitir.

E> E

$2> (1#(1#

xCV

xNoA

o

A =

[ ]

o

BA

BV

xabNC o

(5#= > [ ]xabC BAo (5#

$$> [ ]xacC cAo (5#

$J> [ ]xadC DAo (5#

2.2.*.* Akm Si+(em%e#i

Kesiksiz bir ak sistemi iin stokiometrik tablon!n ol!t!r!lmas gerekte D


20/27

2z ok olan baka deiken sistemli bir hal, zamanla ha-mi deien kesikli reaktrlerdeki

haldir. "! d!r!ma bir rnek iten yanmal motorlardaki yanma odas ve atelenirken bir

ateli silahn naml!s! iinde genleen gazdr.

2adaki hal eitlii k!llanlarak, bir kesikli sistemde ha-min, E, #veya bir aksisteminde ha-imsel ak hznn, v,( dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade

edilmesiyle deriimler belirlenir.

6E>QD&'& #*0*(

"!rada E ve D& srasyla ha-im ve toplam mol saysdr.

&>s-aklk ,K,

6> toplam basn, atm

Q>sktrlabilme faktr' gaz sabiti>,M1+ dm*.atm5mol.K

"! eitlik herhangi bir t zamannda sistemin herhangi bir noktasnda geerlidir. t>#yani

tepkimenin balang-nda ( eitlik #*0*(

6oE>QoD&o'&o #*0G(

Tl!r. itlik #*0*( eitlik #*0G( e blnerek yeniden dzenlenirse

oT

T

oo

oo N

N

(

(

T

T

P

PVV= #*0/(

eitliini verir. "ir E ha-mini S dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade edersek?

#NNN ATT . += #*0+(

b! eitliin tm terimleriniT

N


21/27

2.2. TEK REAKSYON @N TASARIM

"ir akkan ileminin pek ok yol! vardr. &ek bir kesikli ve akl reaktrde ara

safhalarda beslemenin mmkn old!! bir reaktr zin-irinde veya deiik besleme oranlar

ve ko!llarn k!llanlan bir reaktrde gerekletirilebilir. "!nlardan hangisi k!llanlmaldr[sor!s!na ise birok faktr gz nnde b!l!nd!r!ld!!nda -evap verilebilir. 'eaksiyon tipi

operasyon ve -ihaz maliyeti, emniyet ve kararllk, operasyondaki elastikiyet, -ihaz mr,

retilmesi beklenen rn iin gerekli zaman ve -ihazlarn farkl alma ko!llarna, yeni

veya deiik proseslere dntrebilme kolaylnn salanmas gibi faktrler b!na rnek

olarak verilebilir. "irok faktrn dikkate alnmas ve sistemlerde geni bir seim ansnn

olmas nedeniyle optim!m dzenei vererek iyi bir forml yokt!r. &e-rbe, mhendislik

m!hakemesi ve eitli reaktr sistemlerinin karakteristik bilgilerinin tm iyi bir tasarmnseilmesinde gereklidir.

%eilen reaktr sistemi, ihtiya d!y!lan birimlerin boy!t!n!n belirlenmesi ve ol!an

rnlerin orannn sabitlenmesi ile prosesin ekonomisini etkileye-ektir. 9lk faktr olan

reaktr ha-mi tasarmlarn deitirilebilir ve kontrol edilebilir.

"! kon!da gerekli stokiometrik ve denge balantlar olan tek bir hz denklemi k!llanan

reaksiyonlarla ilgili almalardan bahsedilmektedir. "! reaksiyon tiplerinde rn dalm

sabittir.&asarmlarn kartrlmasndaki nemli faktr ha-midir.

2.2..1 Re$k(#%e# 4i -&;5(%$# K;$+%$m$+

Ke+ik%i #e$k(#

Kesikli 'eaktrlerin 2vanta:lar

kipman maliyeti dktr.

Tperasyona esneklik getirir # retim kolaylkla ve ab!-ak d!rd!r!labilir. (

Kk miktarda malzeme retmek iin !yg!nd!r.

"ir ok deiik rn retim k!llanabilir.

Kesikli 'eaktrlerin Jezavanta:lar

Lksek i g- ve alma maliyeti gerektirir.

"oaltma, temizleme ve yeniden dold!rma iin gereken sre !z!nd!r.

8rnn kalite kontrol zord!r.

1 ?e 2 De#ee Re$k+i;&%$#9$ K$#'(#m$% ?e T:#>:%e# Ak'%

Re$k(#%e#i K$#'%$'(#%m$+

1


22/27

Karlatrmay n. dere-e hza gre yaparsak?

nAA

A kCdt

dN

Vr ==

1

n deeri ile * arasnda deimektedir. Kartrmal reaktr iin eitlik yazlrsa,

nA

nAAA

nAOA

AAO

%AO

AO% #

##

kCr

#C

F

VC

(1#

(1#11

+=

=

=

&rbler akl reaktr iin ise ,

+

=

=

=

AA #

nA

An

AAnAO

#

A

AAO

PAO

AO)

#

d##

kCr

d#C

F

VC

1

(1#

(1#1

eitlii yazlr.

9ki eitlii oranladmzda?

P

#

A

n

A

AA

%

n

A

AAA

)AO

AO

%AO

AO

PNAO

%nAO

A

d##

#

#

##

F

VC

F

VC

C

C

+

+

=

=

1

1

1

1

1

1

(#

(#

%abit ha-imde = iin,

)

nA

%

nA

A

)nAO

%nAO

n

#

#

#

C

C

=

1

1(1#

(1#

(#

(#11

1

n \ 1

Eeya

)A

%A

A

)nAO

%nAO

#

#

#

C

C

(1ln#

1

(#

(#

1

1

=

n > 1

2..8. @OKLU REAKTR SSTEMLER

%eri ve paralel bal olarak trbler akl reaktrler D tane trbler akl reaktrn seri

baland ve S1S ve S D4 nin reaktr terk eden komponent 2< nn dnm old!!n!

varsayalm. 9lk reaktrdeki 2 4 nn besleme hz zerinde madde denklii temel olarak i.

reaktr iin eitlik,


23/27

=1

1

#

#AO

r

d#

F

V veya D tane seri reaktr iin?

=+++=++

====

NN

N

xx

x

x

x

x

x

NN

$ o

$

Ao r

dx

r

dx

r

dx

r

dx

F

VVV

F

V

F

V

1

11

1

1

....

....

son! olarak toplam ha-mi E olan D tane seri bal tbler akl reaktr ha-mi E olan

bir trbler akl reaktrdeki ayn dnm verir.

6aralel veya seri olarak balanan trbler akl reaktr iin, eer besleme ayn

kompozisyon! ieriyorsa, tm sistem ayr ayr birimlerin toplam ha-mine eit olan tek bir

trbler akl reaktrn ha-mine eit olarak dnlebilir. 6aralel reaktrler iin E5p veya

] eit olmaldr.

2..8.1 E'i( H$im9e Se#i -$)%$$ K$#'(#m$% Re$k(#%e#

&rbler akl reaktrlerde, reaktant konsantrasyon! sistem boy!n-a yava yava

azalmaktadr. Kartrmal reaktrde ise konsantrasyon hemen dk bir deere !lamaktadr.

"! gerek nedeni ile? n. dere-e tersinmez reaksiyonlar #n^(. =zlar reaktant konsantrasyon!

ile artan reaksiyonlar iin trbler akl reaktr kartrmal reaktrden daha etkindir.

D tane kartrmal reaktrn seri baland bir sistem dnelim. =er bir reaktrde

konsantrasyon ayn olmasna ramen, reaktrden reaktre akkan hareket ettike

konsantrasyonda bir deiim olmaktadr. Konsantrasyondaki b! dme daha fazla reaktrn

seri olarak balanmasn nerir. "! d!r!mda da sistemin davran fazla trbler akl

reaktr sisteminde yaklamaktadr.

D tane eit ha-imli seri balanan kartrmal reaktrn davrann deerlendirelimB

yo!nl!k deiiminin ihmali varsaylabilir. "yle-e _> ve t>] olarak alnabilir. K!ral

olarak, kartrmal reaktrlerle dnmnden daha ok konsantrasyona bal denklemler

gelitirmek daha !yg!nd!r.

1. 9e#ee #e$k+i;&%$#B

A

$$$$$ r

##CV

F

VC

=== (# 1

_> old!!ndan konsantrasyona bal olarak yazlabilir.

[ ]

$

$

$

$$$ Ck

C$C

Ck

CCCCC

..

51#(51# 11 =

=

veya $$

$ k

C

C.11 +=

"tn eit Ei ha-mindeki reaktrlerde proses sresi veya ortalama kalma sresi ayndr.

*


24/27

N$

N

N

NN

kC

C

C

C

C

C

#C

C(.1#......

1

1 1

1

1

+==

=

btn olarak sistem iin yeniden dzenleme yapldnda?

== 1.

51

,

N

N$reakt*rN C

CkN

N

D , b! eitlikte trbler akl denkleme dnmektedir.

=

C

C

k)ln

1

b! son iki eitlikte, D tane seri reaktrn performansn tek bir trbler akl reaktrle

veya tek bir kartrmal reaktrle karlatrlabilir.

1.9e#ee #e$k+i;&%$#1. dere-e reaksiyona benzeyen prosedrle iki molekll. dere-ebir reaksiyon iin de seri bal kartrmal reaktrlerin performansn deerlendirebiliriz.

%eri bal D tane reaktr iin?

$$

N kCkC

G1...1....1#

G

1+++++=

an-ak )kCC

C

1+=

olarak b!l!n!r.

2..< DEAL REAKTR SSTEMNN EN Y EKLDE DB=ENLENMES

Eerilen bir saf ideal reaktrlerin en etkili k!llanm iin aadaki k!rallar izlenmelidir.

=z konsantrasyon erisi artan bir reaksiyon iin#n^( reaktrler seri

balanmaldr. er n^1 ise reaktrler reaktant konsantrasy!n!n! mmkn old!! kadar

yksek, eer n`1 ise de reaktant konsantrasyon!n! mmkn old!! kadar dk t!ta-ak

ekilde sralanmaldr. n^1 iin birimlerin sralanmas tbler, kk kartrmal ve byk

kartrmal ekilde ve n`1 old!! zaman da ters sra k!llanlmaldr.

=z konsantrasyon erisi bir maksim!m veya minim!mdan geen

reaksiyonlar iin birimlerin dzenlenmesi erinin gerek ekline, istenen dnm

seviyesine ve elde edilebilen birimlere baldr. "asit k!rallar nerilemez.

Kinetii ve reaktr sistemi her ne ol!rsa ols!n 150r2ya kar $2erisinin

gzden geirilmesi, birimlerin en iyi ekilde sralanmasn b!lmak iin iyi bir yold!r.

G


25/27

*. HESA6LAMALAR

2dyabatik B >

C$p>$p"0 $p2

6arametre deerlerinin b!l!nmas

. SONU@

Cazi 8niversitesi or!m )hendislik ;akltesi Kimya )hendislii "lm

&asarm X dersi kapsamnda metanol sentezi iin $TA= $=*T= reaksiyon!n!n

gereklee-ei bir reaktrn tasarm istenmektedir."! reaktrn tasarm iin yaplan btnhesaplamalarn ayrntl hesaplar b! rapor!n kapsamnda s!n!lm!t!r.

/


26/27

9lk olarak 0G$ s-aklklar arasndaki Kf deerleri hesaplanmtr. Jaha sonra /0

1 ve atm iin b! s-aklk aralklarnda Ka deeri hesaplanmtr. Ka deerlerinin

diyagramdan ok!nmasnda zorlanldndan indirgenmi basn ve indirgenmi s-akln

fonksiyon! olarak hesaplanmtr. "!l!nan b! Kf ve Ka deerlerinden yola klarak Kp

denge sabitleri b!l!nm!t!r. "!l!nan Kp denge sabitlerinden yararlanlarak O mol says

deerleri hesaplanmtr. =esaplanan O deerlerinden yararlanlarak Sae deerleri

b!l!nm!t!r. Ziteratrden yaplan aratrma son!nda b!l!nan @ra denkliine gre S2>,1

iin her bir s-aklktaki farkl dnmler b!l!nm!t!r. =er bir s-aklk iin hesaplanan b!

dnm deerleri iin ol!t!r!lan tablo grafie geirilerek S20& grafii ol!t!r!lm!t!r.

Sae0& deerleri grafie geirilerek /01 ve atm iin eriler elde edilmitir. "!

verilere gre metanol sentezi iin en iyi alma basn-nn atm old!!na kararverilmitir. atm alma parametresi olarak kab!l edilmi ve dier hesaplamalar b!

deerlere gre yaplmtr.

Ziteratrden b!l!nan reaksiyon hz denklemine gre her bir s-aklk iin @r2 deerleri

b!l!nm!t!r. Jaha sonra b! @r2 deerleri sabit alnp S>.1 dnmden balanarak her bir

s-aklk iin yeni S2deerleri b!l!narak @r20 S2grafii izilmitir. lde edilen b! grafie

gre eim hesab yaplarak k!llanla-ak reaktr saysnn * olmasna karar verilmitir.

=er bir reaktrn giri s-akl /GM K olarak alnmtr ve XX. ve XXX. 'eaktrlerinklarndan sonra so!tma yaplmtr. "! s deitiri-iler iin gerekli olan sl yklerin

hesaplar raporda s!n!lm!t!r.

=er bir reaktr iin 015r20 S2deerleri grafie geilerek, reaktrler iin gerekli olan

ha-imler hesaplanmtr. "!na gre X. reaktr iin 1 dm*, XX. reaktr iin , dm*ve XXX.

reaktr iin de ,N dm*deerlerine !lalmtr. &oplam ha-im ,1 m* ol!p b!n!n iin

gerekli olan maliyet +/ olarak hesaplanmtr.

)aliyet hesaplarnda? reaktr ha-imleri, s deitiri-ilerin maliyetleri, k!llanlmas

planlanan ener:i fiyatlar ve ekipman giderleri gz nne alnarak toplam maliyet yaklak

olarak 1G milyar olarak b!l!nm!t!r.

$TA= $=*T= tepkimesi katalizli bir tepkime ol!p yaplan literatr aratrmas

son!nda katalizr olarak QnT0$! k!llanlmas !yg!n grlmtr.

"! reaktr tasarm yaplrken 015r20 S2 grafii izilmi ve kan eri gz nne

alnarak k!llanlmas gerekli olan reaktr tipinin 6;' olmasna karar verilmitir. 2yr-a

metanol sentez reaksiyon! gaz faznda gerekleen bir reaksiyond!r ve genellikle gaz faznda

gerekleen reaksiyonlar iin 6;' ter-ih edilmektedir.

+


27/27

Laplan literatr aratrmalarna gre metanol sentezi iin maksim!m 3 / dnm elde

edilmektedir ve yaplan hesaplamalar son!-!nda b! ifadenin dor! old!! grlmtr.

nk X. reaktr son!nda 3 *,*? XX. reaktr son!nda 3 *N,/ ve XXX. reaktr son!nda 3/

orannda dnme !lalmtr.)etanol sentezi iin karbon monoksitten, metandan, s!dan ve karbon dioksitten ol!an

reaksiyonlar b!l!nmaktadr. Laplan literatr aratrmas son!nda grlmtr ki $T

zerinden gerekleen reaksiyon dierlerine gre daha kararsz davranmaktadr. "! sebeple

de dier reaksiyonlarda 3 M0N a varan dnmler elde edilirken $T zerinden yryen

b! tepkimede maksim!m 3 / verime !lalmaktadr.

Laplan reaktr tasarm iin k!llanla-ak malzeme paslanmaz elik olarak seilmi ve

maliyet hesaplar ona gre alnmtr.'eaktr tasarm iin en nemli kriter maO. dnm ve min. maliyeti salayabilmektir.

$T zerinden yryen metanol sentezi iin yaptmz hesaplamalar b! deerleri

salamaktadr.

"! rapor!n hazrlanmas srasnda her trl yardm bizden esirgemeyen ve gsterdii

snrsz anlayndan dolay gr!p ho-amz Lrd.Jo.Jr.Dihal &zn

reaktör tasarım raporu (kımse dokunmasın)

Documents