•30.10.2018.

•1

Tehnološke šeme itehnološkiproračuni

Tehnološke šemeHEMIJSKO-TEHNOLOŠKI SISTEM

Sveukupnost svih aparata koji se koriste u proizvodnji hemijskog proizvodamatematički model = f(c, P, T) (tehnološki režim)

TEHNOLOŠKA ŠEMA PROIZVODNJE Detaljno opisivanje procesa u hemijsko-tehnološkom sistemuTehnološka šema proizvodnje može biti

OTVORENA i CIKLIČNA (zatvorena)

•30.10.2018.

•2

Otvorena šema – tehnologije u kojima x 1 (bez vraćanja reakcione smeše)

ako x ima malu vrednost multiplikovanje raktora

Apsorpcija nitroznih gasova kod proizvodnje razblažene HNO3

NO2

HNO3

ostatakNO2

Procesi kod kojih je stepen preobražaja mali – ciklična šema (izdvajanje produkta)

Ciklična šema: višestruki povraćaj smeše u reaktor, postizanje zadovoljavajućeg stepena preobražaja

Sinteza etanola i amonijaka

Ciklične šeme obezbeđuju visok stepen iskorišćenja sirovina i smanjuju zagađenje čovekove okoline

•30.10.2018.

•3

TehnološkiproračuniNajracionalnije iskorišćenje sirovina i energije

i maksimalni prinos gotovog proizvoda1. – PROJEKTNI ZADATAK

metod proizvodnje, tipovi reaktora i njihove dimenzije, izvori i rashodi sirovina, resursi energije i principijelna tehnološka šema

2. – izrada projektne dokumentacije: detaljni crteži čitavog hemijsko-tehnološkog sistema, termin planovi nabavke i montaže opreme, izgradnje infrastrukture itd.

materijalniienergetskibilans

Materijalni bilans

ZAKON O ODRŽANJU MASE

Usvakomzatvorenomsistemumasasupstancikojestupajuuhemijskureakcijumorabitijednakamasi

supstancikojesedobijajureakcijom

•30.10.2018.

•4

Masa supstanci koje ulaze u HT proces = masa supstanci dobijenih HT procesom

Materijalni bilans: jednačina za glavnureakciju + paralelne + sporedne reakcije

mM + fF + dD eE + lL + Hhr

Jedinica mase glavnog proizvoda GE

Jednačina materijalnog bilansa:GM + GF + GD = GE + GL + Gnp

Zakon o održanju energije

Usvakomzatvorenomsistemusumasvihvidovaenergijejekonstantna

UHTprocesimaTOPLOTA

Utrošak toplote u datom ciklusu proizvodnje mora biti tačno jednak količini toplote koja

je dovedena u taj ciklus

Energetskibilans

•30.10.2018.

•5

Jednačina toplotnog bilansa:

Qf + Qhr+ Qfp + Qpr = Qf' + Qhr' + Qfp' + Qok

Fizička toplota unesena materijalom:

Toplotni efekat reakcije

Toplota unesena u reaktor:

Qpr = G·cp·(Tpoč – Tkraj)

Qpr = kT·F·T

Hesov zakon:

izmenjivač toplote

•30.10.2018.

•6

Osnove hemijskihreaktora

Hemijski reaktor jeosnovni elementsvake tehnološke šeme,povezujehemijskereakcije i transportmase

Pomoćni aparati (pre ili nakon reaktora):priprema sirovine za reakciju, razdvajanjeprodukata reakcije.

U samom reaktoru: predgrevanje, usitnjavanje, rastvaranje, isparavanje, kondenzacija.

Industrijske peći, kontaktne kolone, koloneza sintezu, reaktori sa mešalicama, autoklavi, hidratori, reaktori sa pneumatskimmešanjem...

Izbor reaktora efikasnost HT procesa

•30.10.2018.

•7

Osnovni zahtevi od hemijskih reaktora da obezbedi veliku proizvodnost,

da obezbedi što je moguće veći stepenpreobražaja, pri maksimalnoj selektivnostiprocesa,

da ima mali utrošak energije na transport imešanje reagenata,

da bude jednostavan i jeftin,

da najpotpunije koristi toplotu egzotermnihreakcija,

da bude trajan i pouzdan u radu, mehanizovan iautomatizovan.

Gde postoji ovakav reaktor?

•30.10.2018.

•8

PROTIVUREČNOSTI ZAHTEVA:visok stepen preobražaja niska

proizvodnostvisoka mehanizovanost i automatizacija

visoka cena reaktora

Visoka intezivnost proizvodnje

merenje na izlazu

Visok stepen preobražaja (x) dobra selektivnost

Optimalne vrednosti parametara:

• temperatura,• pritisak,• koncentracija reaktanata i produkata

reakcije,• omogućavanje efektivne primene

katalizatora.

•30.10.2018.

•9

Stepen preobražaja intenzivnost radaPromena proizvodnosti (), intezivnosti rada (I)

i stepena preobražaja (x) sa vremenom kodreaktora sa idealnim klipnim razdvajanjem

x↑ I↓, ↓

Zapreminska brzina stepen preobražaja ↑ x↓, I↑

Ciklični procesi IOtvoreni šema x

Energija stepen preobražaja

I↑ E↑x↑

Eel. mešanje↓ (g, l)↓ I↓ ⋀ x↓

E transporta↓(g, l) ΔP↓ + jednostavan reaktor

•30.10.2018.

•10

Zavisnost hidrauličnog otpora od dužine reaktora:P = k·H (linearna f)

Zavisnost stepena preobražaja od dužine reaktora:x = k·Hn (n 1) (eksponencijalna f)

stepen preobražaja (x) + hidraulični otpor (P) = f(dužina reaktora (H))

proizvodnost reaktora = f(linearna brzina): = k·1/n

hidraulični otpor = f(linearna brzina):

P = k·2-m (gde je 0 m 1)

hidraulični otpor + proizvodnost reaktora = f(linearna brzina fluida)

•30.10.2018.

•11

Diferencijalne jednačinematerijalnog i energetskog

bilansaA → B ili A + B → D + E

Diferencijalna jednačina materijalnog bilansaza nestacionarni režim rada protočnog cevnogreaktora:

glavni polazni raktant

Materijalni bilans za zapreminskielement reaktora dV

sastav ujednačen bilans f(V)

sastav neujednačen bilans = f(dV)

•30.10.2018.

•12

Za stacionarni režim protočnog reaktoracA/nakup = 0

Šaržni reaktor reaktorcA/H = 0

periodični reaktor: ulaz i izlaz reaktanata = 0protočni reaktor stacionarni uslovi: četvrti član = 0(nema akumulacije), polušaržni reaktor: značajna su sva četiri člana

Energetski bilans za zapreminski element reaktora dV

•30.10.2018.

•13

Diferencijalna jednačina toplotnog bilansaza nestacionarni režim protočnog reaktora:

Diferencijalna jednačina toplotnog bilansa zastacionarni režim:

brzina priticanja toplote u beskonačno mali element

zapremine

Klasifikacija hemijskih reaktora

Napredovanje neke hemijske reakcije jedefinisano matematičkim izrazom za brzinuhemijske reakcije, koji predstavlja intenzivnumeru brzine nastajanja ili nestajanjakomponente i u funkciji postojećih uslova udatoj sredini.

= f(uslovi u reakcionoj sredini)

•30.10.2018.

•14

Projektovanje reaktora:zapremina, vrsta i režim rada reaktora?

diferencijalni izraz se integrali prema režimurada reaktora: da li se uslovi menjaju savremenom ili položajemPromena c = f(temperatura i sastav reagujućegfluida) od tačke do tačke

Zavise od:• prirode reakcije (egzotermna ili endotermna),• brzine odvođenja ili dovođenja toplote u

sistem.

Klasifikacija reaktora-procesa:• prema temperaturnom režimu: nisko i

visoko temperaturni• prema primenjenom pritisku: aparati

koji rade na visokom, povišenom, normalnom i niskom pritisku ili u vakumu

• prema faznom stanju reagenata:reaktori za homogene i heterogeneprocese

•30.10.2018.

•15

Najvažniji kriterijum za klasifikaciju je tipuređaja:1. Periodični ili šaržni reaktor,2. Protočni reaktor u stacionarnim

uslovima,3. Protočni reaktor u nestacionarnim

uslovima,4. Polušaržni reaktor (povremeno punjenje

i pražnjenje).kontinualnost, režim kretanja, temperaturni režim

Periodični - šaržni reaktorreagenti se postavljaju pre početkareakcije, a posle određenog vremenaaparat se prazni

CA, CB, CD, T, P = f(t)

srednja brzina

realna brzina

neizotermski uslovi T c

•30.10.2018.

•16

Protočni reaktorpotpuno kontinualan proces neprekidnose šaržiraju sirovine i neprekidno odvodeprodukti reakcije.

Ove reaktore karakteriše zapreminska brzina Vkkoja je obrnuto proporcionalna vremenu kontaktareaktanata: odnos zapremine šaržiranogreaktanta Vs (za vreme ) i polazne reakcionezapremine V:

Vk = Vs/V

Zavisnost stepena preobražaja (x), hidrauličnogotpora (P) i intezivnosti (I) od zapreminske

brzine procesa u protočnom reaktoru

•30.10.2018.

•17

Polušaržni ili poluprotočni reaktorsirovine se stavljaju u reaktor neprekidno ili uodređenim porcijama - u jednakim vremenskimrazmacima, produkti reakcije se vade periodično

Varijante poluprotočnog reaktora:

prelazni režim rada