Vývoj nového chemického procesu

Reaktory

Separátory a recykly

Síť výměníků tepla

Pomocná zařízení

Přehled bloků reprezentujících modely chemických reaktorů v programu ASPEN PLUS

Modul Popis modelu RSTOIC Stechiometrický reaktor se zadaným stupněm přeměny (stupněm

konverze) klíčové složky RYIELD Reaktor s předepsaným výtěžkem jednotlivých složek systému RGIBBS Chemická a fázová rovnováha ve výstupním proudu vzhledem ke

vstupnímu složení a podmínkám v reaktoru (teplota,tlak). Výpočet prováděn pomocí minimalizace Gibbsovy energie systému.

REQUIL Chemická rovnováha definovaná stechiometrickými relacemi probíhajících chemických reakcích

RCSTR Průtočný ideálně míchaný reaktor RPLUG Průtočný reaktor s pístovým tokem RBATCH Vsádkový nebo polokontinuální reaktor

Příklad : Modul RSTOIC je použit pro simulaci hořáku, ve kterém se spaluje methan vzduchem. Uvažujeme pouze jednu reakci probíhající v plynné fázi CH4(g) + 2O2(g) → CO2(g) + 2H2O(g) Předpokládejme, že tepelné ztráty hořáku jsou 500 kW. Tuto ztrátu vyjádříme pomocí tepelného proudu, vstupujícího do reaktoru. Stavové chování plynných směsí je s dostatečnou přesností popsáno stavovou rovnicí Redlich-Kwong-Soave. Schéma spolu se zadávanými vlastnostmi proudů a reaktoru je uvedeno na obrázku

Stechiometrický reaktor pro spalování methanu

Blok RCSTR RCSTR je modelem průtočného ideálně míchaného reaktoru se známou kinetikou probíhajících reakcí.

Míchané reaktory s vnější výměnou tepla

Rychlost chemických reakcí je vyjádřena ve tvaru tzv. mocninové kinetiky

∏=

−=N

jj

n jCRTETAr

1

).exp(.. α

Význam veličin v kinetické rovnici. Podtržené veličiny se zadávají

Označení Význam Jednotka r reakční rychlost kmol m-3 s-1 A předexponenciální faktor v závislosti na n a αj n exponent - E aktivační energie kJ mol-1 T teplota K R plynová konstanta kJ mol-1 K-1 Cj molární koncentrace kmol m-3 αj řád reakce - N celkový počet složek -

Matematický model ideálně míchaného reaktoru

Stechiometrická rovnice reakce

01

=∑=

i

N

ii Aν

Hmotnostní (látková) bilance klíčové složky

),( kVk

k

ok

R XTrXFV

ν−=

Entalpická bilance reakční směsi v reaktoru

0)(.

)().(. =∆+−−− THXF

TTCFTTSk rk

ko

koop

om ν

Příklad: Propylenglykol (PG, propandiol-(1,2)) se vyrábí hydratací propylenoxidu (PO) C3H6O + H2O → C3H8O2 (PO) (PG) Reakce je katalyzována minerálními kyselinami, k hydrataci se používá voda s 0,1 % hmot. H2SO4 a PO je používán ve formě methanolického roztoku. Rychlost reakce je dána vztahem :

rRT

CPO=−⎡

⎣⎢⎤⎦⎥

4 7110753009, . exp [kmol m-3 s-1]

Schéma reaktoru pro výrobu propylenglykolu

Blok RPLUG

RPLUG je modelem průtočného reaktoru s pístovým tokem bez axiální disperze

Homogenní (jednofázový) reakční systém

Souproudé, protiproudé uspořádání

dx

Q& ojo FT ,

omT

)(),( LFLT j

omT

)(LTm

0=x Lx =

x

)(xT

)(xTmx

)(xX k

)(xX eqk

Heterogenní (např. katalytický) reakční systém

∆ x

A 0

Fj0

F (V+ V)j ∆F(V)j

F (x+ x)j ∆F(x)j

x x+ x∆

F ,outputj

ε

∆V= +c∆ ∆V Vg

qi

g g

R g s

V VV V V

= =+

Matematický model homogenního reaktoru s pístovým tokem

0,TT ,0

),().()(44

),(4.

o

2

2

===

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡∆−−=

−=

k

kVrmR

op

oR

kVok

kRk

Xx

TXrTHTTd

kCF

ddxdT

TXrF

ddx

dX

π

νπ

N2 + 3H2 ↔ 2NH3

Rychlost katalytické reakce Fe(+”promotory”) N2(g) + 3H2(g) ↔ 2NH3(g)

je vyjádřena rovnicí (rychlost reakce, r je v kmol m-3 s-1, molární koncentrace, Ci v kmol m-3):

r TRT

CN CH

CNH RT

CNH

CH= −

⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

− −⎡⎣⎢

⎤⎦⎥

6183810387069 2 2

3

476181015198416 3

2

, . exp , . exp