Innehåll. Bilagor 1-8

Transkript

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

2 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

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

4 Process A1--> A 2+ A3 Iso-propanol --> aceton + H V T T0 xi Isopropanol Q Reaktor 2 H2 Aceton Separations kolonn

5 Kemisk reaktor In Strömning Omblandning Tillstånd (gas, vätska) Reaktor Ut Kinetik Hur snabt reaktionen sker Vad kommer ut ur reaktorn Jämvikt Mass och värmeöverföring Ut = f(in, kinetik, hur ämnena kommer i kontakt med varandra)

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

7 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

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

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

10 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

11 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

12 Vad behövs modellering till Laboratoriereaktorn kan inte direkt förstoras till industriell storlek

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

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

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

16 Kostnadsfördelning money / euro + laboratory time pilot plantconstruction production

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

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

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

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

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

22 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

23 Stökiometri och kinetik Önskade reaktioner Oönskade reaktioner (bireaktioner) Om flera reaktioner --> Sammansatta reaktioner (multiple reactions) Exempel Metanolsyntes CO + 2H2 CH3OH ( önskad reaktion) CO2 + H2 CO + H2O ( bireaktion) Parallell reaktion i avseende på Väte Konsekutiv i avseende på CO

24 Stökiometri och kinetik p-cresol +Cl2 -> monoklor-p-cresol + HCl mono-p-cresol + Cl2 -> diklor-p-cresol + HCl parallellt i avseende på klor konsekutivt i avseende på mellanprodukten monoklorparakresol reaktionerna har olika reaktionshastigheter

25 Stökiometri N ν i ai =0 i=1 Reaktanter Produkter + ν T a=0

26 Stökiometri CO + 2H2 CH3OH (1) [ ] CO H2 (2) CO2 + H2 CO + H2O -1 CO + 2 H2-1CH3OH = 0 a= CH 3 OH CO 2-1CO2-1 H2 + 1CO + 1H2O = 0 [ ν= H2O ] T

27 Reaktionskinetik Vid kemisk reaktion förändras komponenternas ämnesmängder reaktanter konsumeras produkter uppstår Reaktionshastigheten R (mol/s m3) anger hur många mol substans som genereras per tidsenhet Elementär reaktion eller icke elementär reaktion

28 Genereringshastigheten ri r i =ν i R För metanolsyntesreaktionen fås rh2 = - 2 R och rch3oh = +1 R I system med flere samtidiga reaktioner fås komponentens genereringshastighet genom addition av bidragen för varje reaktion rh2 = -2R1-1R2 rch3oh = +1 R1 + 0 R2 S r i = ν ij R j j=1

29 Hastighetsuttrycket 2A + B 2C Ifall reaktionen är elementär fås reaktionshstigheten 2 2 R=k c A c B k c C 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

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

31 Aktiveringsenergin

32 Jämviktskonstanten och hastighetskonstanterna Följande samband gäller K c= k k Vid kemisk jämvikt är reaktionshastigheten R = R=k c A c B k c C K c= 2 cc c 2A c B

33 Reaktionstermodynamik Jämviktskonstanten beroende av temperaturen d ln K c ν och av dt ln K c ν = ΔU 0r ΔS 0r ΔU 0r RT = ΔU 0r RT 2 ΔS 0r R den av reaktionen orsakade förändring i den inre energin förändring i den molära entropin

34 Reaktionstermodynamik Vätskefassystem Jämviktskonstanten bestäms vanligen experimentellt Gasfassystem Jämviktskonstanten kan beräknas ifall man känner ΔS 0r ΔH 0r

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

36 Reaktionstermodynamik Ekvation 13 utnyttjas d ln K p dt integration ger ν = ΔH 0r RT 2 T ln K p T =ln K p T 0 T0 ΔH 0r RT 2 dt

37 Homogena reaktorer En fas Vätska eller gas Satsreaktor Tubreaktor Tankreaktor

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

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

40 Satsreaktor

41 Satsreaktor i laboratorieskala

42 Parallella satsreaktorer för test av katalysator

43 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)

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

45 Satsreaktorn Fördelar Flexibel 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.

46 Omblandning i satsreaktor

47 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

48 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

49 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

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

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

52 CSTR

53 CSTR

54 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

55 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

56 Tubreaktor Gas och vätskefasreaktioner Om tublängden är lång jämfört med tubdiametern och strömningshastigheten är hög försvinner dispersions och diffusionseffekterna i axiall riktning och kolvströmning antas råda

57 Tubreaktor

58 Tubreaktor

59

60

61

62 Tubreaktor i laboratoriet Utveckling av dieselavgaskatalysator

63 Tubreaktor med parallella tuber

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

65 Tubreaktor Nackdelar Stabiliteten Hot spot uppstår lätt vid exotermiska reaktioner

66 Temperatur och koncentration i satsreaktor

67 Kylsystem för reaktorer

68