Industriella Reaktorer 2005

Transkript

1 Industriella Reaktorer 2005 Föreläsare: Johan Wärnå rum 252 Kompendium, Industriella Reaktorer Uppgifter i Industriella Reaktorer Föreläsningar mån Ri ti 8-10 Stina to Ri fre Stina

2 Industriella Reaktorer 2005 Räkneövningar ca 9 st Godkända före deltagande i tent Deadline 2 månader efter kursens slut Tent 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?

3 Innehåll Inledning Stökiometri och kinetik Homogena reaktorer Katalytiska tvåfasreaktorer Katalytiska trefasreaktorer Gas-vätskereaktorer Reaktorer med en reaktiv fast fas Bilagor 1-8

4 Reaktorer Råmaterial Produkter Satsvist arbetssätt Kontinuerligt arbetssätt Klassificering på basen av antalet faser Gas, Vätska, Fast, Katalysator Kemin i den industriella processen bestämmer valet av reaktortyp

5 Process Raw materials Physical treatment steps Chemical treatment steps Physical treatment steps Products Recycle

6 Process A --> A + A H 2 Iso-propanol --> aceton + H 2 Aceton T 0 Isopropanol Q V T x I Separations kolonn Reaktor

7 Kemisk reaktor In Reaktor Ut!" #$"!

8 Projektering av en kemisk reaktor Preliminära studier Litteraturstudier -> syntesrutter, katalysator... Processbetingelser, temperatur, tryck... Stökiometri, termodynamik

9 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

10 Projektering av en kemisk reaktor Laboratorieexperiment ger också Fysikaliska egenskaper, densitet, vikositet Reaktionsentalpier Diffusions koefficienter Mass och värmeöverförings parametrar

11 Projektering av en kemisk reaktor Analys av experimentella resultat Hastighetekvationen kan ställas upp Matematisk reaktormodell Estimering av reaktionshastighetskonstanterna massöverföringsparametrar

12 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

13 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

14 Vad behövs modellering till %"

15 Reaktorplanering Parameter Estimering Optimering Ide Matematisk Modell Experiment Reaktorn klar Tiden slut Pengarna slut

16 Reaktormodelleringens principer Kinetisk model Mass och värme överförings modell Modeller för strömningen REAKTOR MODELL

17 Reaktormodelleringens principer Stökiometri Kinetik och termodynamik Reaktion & diffusion Reaktor modell

18 money / euro Kostnadsfördelning + - laboratory pilot production time plantconstruction

19 Reaktortyper Homogena reaktorer En fas, eventuellt också en homogen katalysator) Tubreaktor (kolvströmningsreaktor) Tankreaktor (Återblandningsreaktor) Satsreaktor Halvkontinuerlig

20 Reaktortyper Heterogena katalytiska tvåfasreaktorer Gas eller vätskefas + fast katalysator reaktion på katalysatorytan Packad bädd Moving bädd Fluidiserad bädd

21 Reaktortyper Heterogena katalytiska trefasreaktorer gas, vätska + fast katalysator reaktion på katalysatorytan Packad bädd (Trickle bädd) Bubbelkolonn Tankreaktor Fluidiserad bädd Slurry reaktor Reaktiv katalytisk destillationskolonn

22 Reaktortyper Gas-Vätskereaktorer gas och vätskefas + eventuellt homogen katalysator reaktion i vätskefasen Absorptionskolonn Bubbelkolonn Tankreaktor Reaktiv destillationskolonn

23 Reaktortyper Vätske-Vätske reaktor Två vätskefaser + eventuell homogen katalysator Reaktion i någondera eller båda faserna Kolonnreaktor Mixer-Settler reaktor

24 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

25 Stökiometri och kinetik Önskade reaktioner Oönskade reaktioner (bireaktioner) Om flera reaktioner --> Sammansatta reaktioner (multiple reactions) Exempel Metanolsyntes CO + 2H 2 CH 3 OH ( önskad reaktion) CO 2 + H 2 CO + H 2 O ( bireaktion) Parallell reaktion i avseende på Väte Konsekutiv i avseende på CO

26 Stökiometri och kinetik p-cresol +Cl 2 -> monoklor-p-cresol + HCl mono-p-cresol + Cl 2 -> diklor-p-cresol + HCl parallellt i avseende på klor konsekutivt i avseende på mellanprodukten monoklorparakresol reaktionerna har olika reaktionshastigheter

27 Stökiometri N i= 1 ν i a i = 0 Reaktanter - Produkter + ν T a = 0

28 Stökiometri CO + 2H 2 CH 3 OH CO 2 + H 2 CO + H 2 O -1 CO + 2 H 2-1CH 3 OH = 0-1CO 2-1 H 2 + 1CO + 1H 2 O = 0 = O H CO OH CH H CO a T = ν (1) (2)

29 Reaktionskinetik Vid kemisk reaktion förändras komponenternas ämnesmängder reaktanter konsumeras produkter uppstår Reaktionshastigheten R (mol/s m 3 ) anger hur många mol substans som genereras per tidsenhet Elementär reaktion eller icke elementär reaktion

30 Genereringshastigheten r i r i = ν R För metanolsyntesreaktionen fås r H2 = - 2 R och r CH3OH = +1 R i I system med flere samtidiga reaktioner fås komponentens genereringshastighet genom addition av bidragen för varje reaktion S r i = ν R j= 1 ij j r H2 = -2R 1-1R 2 r CH3OH = +1 R R 2

31 Hastighetsuttrycket 2A + B 2C Ifall reaktionen är elementär fås reaktionshstigheten R = k c 2 c + A B Reaktionen förutsätter en kollision mellan två A och en B molekyl reaktionshastigheten är proportionell mot komponenternas koncentrationer De stökiometriska koefficienternas absoluta belopp uppstår som exponenter i hastighetsuttrycket k c 2 C

32 Komponenthastigheten 2A + B 2C R = k 2 + cacb k c 2 C R A =-2R R B =-R R C =2R

33 Reaktionshastighetens temperaturberoende Arrhenius k k = A' T Ae b e E A E / A RT Också frekvensfaktorn A kan vara temperatur beroende = / RT

34 Aktiveringsenergin

35 Jämviktskonstanten och hastighetskonstanterna Följande samband gäller K c = k k Vid kemisk jämvikt är reaktionshastigheten R = 0 + R = k c 2 c + A B k c 2 C c 2 C Kc = 2 cacb

36 Reaktionstermodynamik Jämviktskonstanten beroende av temperaturen 0 d ln( K c ν ) U r = 2 dt RT och av ln( K c ν ) = U RT 0 r S R 0 r 0 U r 0 S r den av reaktionen orsakade förändring i den inre energin förändring i den molära entropin

37 Reaktionstermodynamik Vätskefassystem Jämviktskonstanten bestäms vanligen experimentellt 1.2 Gasfassystem Jämviktskonstanten kan beräknas ifall man känner S r 0 H r 0

38 Reaktionstermodynamik 0 Reaktionsentalpin H r vid referenstemperaturen T 0 ofta 298 K beräknas ur bildningsentalpierna H 0 r 0 ( T 0 ) = ν i H fi i Bildningsentalpier finns tabellerade i litteraturen t.ex. Reid,Prausnitz, Poling The Properties of Gases and Liquids Reaktionsentalpin fås nu med 0 0 H r ( T ) = H r ( T0 ) + ν ic i T0 De molära värmekapaciteterna C pmi finns som temperaturfunktioner T pmi dt

39 Reaktionstermodynamik Ekvation 13 utnyttjas d ln( integration ger K p dt ν ) = H RT 0 r 2 ln K p ( T ) = ln K p ( T 0 ) + T H RT T 0 0 r 2 dt

40 Homogena reaktorer En fas Vätska eller gas Satsreaktor Tubreaktor Tankreaktor

41 Satsreaktorn Funktion reaktorn fylls med reaktionsblandningen uppvärmning till reaktionstemperatur reaktionen får pågå tills önskad omsättningsgrad har uppnåtts reaktorn töms

42 Satsreaktorn Vanligen för vätskefasreaktioner I laboratorieskala också för att bestämma kinetiken för gasfasreaktioner Industriell användning finkemikalier (organiska vätskefasreaktioner läkemedel, färgämnen, pesticider,herbicider

43 Satsreaktor

44 Satsreaktor i laboratorieskala

45 Parallella satsreaktorer för test av katalysator

46 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)

47 Satsreaktorn Kylning Alltför hög temperaturstegring kan leda till förgasning av reaktorinnehållet olämplig produktdistribution explosion Kylsystem Mantel Kylslinga Yttre värmeväxlare

48 Satsreaktorn Flexibel Fördelar kan användas för flere olika reaktioner Uppehållstiden kan lätt varieras Temperaturstyrning högre temperatur i början av reaktionen för att försnabba reaktionen lägre temperatur i slutet av reaktionen för bättre jämviktsläge Scale-up En reaktionstid i laboratorieskala motsvarar direkt en reaktionstid i stor skala ifall betingelserna för övrigt är de samma, svårt att uppnå t.ex. Samma omblandningseffektivitet som i en liten lab reaktor.

49 Omblandning i satsreaktor

50 Satsreaktorn Fördelar För konsekutiva och balandade reaktioner ger satsreaktorn en högre produktomsättning och högre halt av önskade mellanprodukter än återblandningsreaktorn Tävlar i effektivitet med kolvströmningsreaktorn

51 Satsreaktorn Nackdelar Produktionskapaciteten försämras dock av tiden det går åt att tömma och fylla reaktorn Det icke stationära arbetssättet kan leda till problem med temperaturregleringen och produktkvaliteten Sårt att uppnå samma omlandnings betingelse I stor skala som I laboratorie skala

52 Satsreaktor Halvkontinuerlig 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

53 Återblandningsreaktor Reaktionsblandningen fullständigt omblandad Produktflödet har samma koncentration som reaktions-blandningen

54 Återblandningsreaktor Konstruktion Propelleromrörare (fig 3.3) Multistage reaktor (fig 3.4) Återcirkulation av produktflödet med cirkulationspump (fig 3.5) (praktiskt vid gasfas reaktioner)

55 CSTR

56 CSTR

57 Återblandningsreaktorn Fördelar 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 där reaktionshastigheten stiger med produktkoncentrationen fås en högre omsättningsgrad än med kolvströmningsreaktor

58 Återblandningsreaktor Nackdelar Arbetar vid låg koncentrationsnivå av reaktanterna, på produktblandningens koncentrations-nivå Lägre omsättningsgrad än kolvsträmnings och satsreaktor Seriekoppling ger högre omsättningsgrad men kapital-kostnaderna ökar

59 Tubreaktor Gas och vätskefasreaktioner Om tublängden är lång jämfört med tubdiametern och strömnings-hastigheten är hög försvinner dispersions och diffusionseffekterna i axiall riktning och kolvströmning antas råda

60 Tubreaktor

61 Tubreaktor

62

63

64

65 Tubreaktor i laboratoriet # &

66 Tubreaktor med parallella tuber

67 Tubreaktor Fördelar Högsta omsättningen och högsta halter av mellanprodukter vid de vanligaste typer av reaktionskinetik Enkel konstruktion

68 Tubreaktor Nackdelar Stabiliteten Hot spot uppstår lätt vid exotermiska reaktioner

69 Temperatur och koncentration i satsreaktor

70 Kylsystem för reaktorer

71