Industriella Reaktorer 2005

Relevanta dokument
Innehåll. Bilagor 1-8

Kapitel 12. Kemisk kinetik

Avsnitt 12.1 Reaktionshastigheter Kemisk kinetik Kapitel 12 Kapitel 12 Avsnitt 12.1 Innehåll Reaktionshastigheter Reaktionshastighet = Rate

Kinetik, Föreläsning 2. Patrik Lundström

Kinetik. Föreläsning 2

Kemisk reaktionskinetik. (Kap ej i kurs.)

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Lördagen den 20 december 2008 kl 8:30-13:30 i V. Examinator: Docent Louise Olsson

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 31 augusti 2007 kl 8:30-12:30 i M. Man får svara på svenska eller engelska!

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Onsdag den 22 augusti 2012 kl 8:30-13:30 i V. Examinator: Bitr. Prof.

Kinetik. Föreläsning 1

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 13 april 2007 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Lördagen den 19 december 2009 kl 8:30-13:30 i Hörsalar på hörsalsvägen

Tentamen i Kemisk reaktionsteknik för Kf3, K3 (KKR 100) Fredagen den 22 december 2006 kl 8:30-12:30 i V. Man får svara på svenska eller engelska!

Trefasreaktorer. Tre faser. Gas Vätska katalysatorfas

Kemisk Dynamik för K2, I och Bio2

Kinetik, Föreläsning 1. Patrik Lundström

Repetition F9. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Aggregationstillstånd

4. Kemisk jämvikt när motsatta reaktioner balanserar varandra

EXPERIMENTELLT PROV ONSDAG Provet omfattar en uppgift som redovisas enligt anvisningarna. Provtid: 180 minuter. Hjälpmedel: Miniräknare.

Allmän kemi. Läromålen. Viktigt i kap 17. Kap 17 Termodynamik. Studenten skall efter att ha genomfört delkurs 1 kunna:

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 2(2) A: Kap

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi. KINETIK 1(2) A: Kap

KINETIK 1(2) A: Kap Vad är kinetik? 14.1 Koncentration och reaktionshastighet. KEM A02 Allmän- och oorganisk kemi

Kinetik. Föreläsning 3

Reaktionskinetik...hur fort går kemiska reaktioner

Repetition F7. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel Kapitel 12. Repetition inför delförhör 2. Kemisk kinetik. 2BrNO 2NO + Br 2

Kapitel Repetition inför delförhör 2

Repetition F12. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Konc. i början 0.1M 0 0. Ändring -x +x +x. Konc. i jämvikt 0,10-x +x +x

Övningar Homogena Jämvikter

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Laboration Enzymer. Labföreläsning. Introduktion, enzymer. Kinetik. Första ordningens kinetik. Michaelis-Menten-kinetik

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Fast fas Flytande fas Gasfas

Då du skall lösa kemiska problem av den typ som kommer nedan är det praktiskt att ha en lösningsmetod som man kan använda till alla problem.

Lösningsförslag. Tentamen i KE1160 Termodynamik den 13 januari 2015 kl Ulf Gedde - Magnus Bergström - Per Alvfors

Gaser: ett av tre aggregationstillstånd hos ämnen. Flytande fas Gasfas

Godkänt-del A (uppgift 1 10) Endast svar krävs, svara direkt på provbladet.

Louise Olsson ( ) kommer att besöka tentamenslokalen på förmiddagen.

Föreläsning 2.3. Fysikaliska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt S = k lnw

Kontrollfråga: Redogör i detalj för de antaganden som de ideala reaktormodellerna sats-, tank- och tubreaktor är baserade på.

Energi, katalys och biosyntes (Alberts kap. 3)

Energitransport i biologiska system

Övningstentamen i KFK080 för B

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 13-18

Tentamen i Allmän kemi 7,5 hp 5 november 2014 ( poäng)

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

jämvikt (där båda faserna samexisterar)? Härled Clapeyrons ekvation utgående från sambandet

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi

Tentamen i Kemisk Reaktionsteknik I Exam in Chemical Reaction Engineering I (KGT002 / KMT017 / KMT007)

2BrO 2 (mycket snabb) Härled, med lämpligt valda approximationer, uttryck för (a) förbrukningshastigheten

Föreläsning 13: Multipel Regression

Tentamen i kemisk termodynamik den 17 januari 2014, kl

Bestäm brombutans normala kokpunkt samt beräkna förångningsentalpin H vap och förångningsentropin

Kapitel 5. Gaser. är kompressibel, är helt löslig i andra gaser, upptar jämt fördelat volymen av en behållare, och utövar tryck på sin omgivning.

Materialfysik vt Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. [Mitchell 3.0; lite ur Porter-Easterling 5.4]

Kapitel 17. Spontanitet, Entropi, och Fri Energi. Spontanitet Entropi Fri energi Jämvikt

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Repetition F4. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Schema och lite information för kzu200, moment-1 (jämvikt, 7.5hp) version:160815

Jämviktsuppgifter. 2. Kolmonoxid och vattenånga bildar koldioxid och väte enligt följande reaktionsformel:

Kapitel 6. Termokemi. Kapaciteten att utföra arbete eller producera värme. Storhet: E = F s (kraft sträcka) = P t (effekt tid) Enhet: J = Nm = Ws

Tentamen i Kemisk Termodynamik kl 14-19

Kapitel 6. Termokemi

Definition Materialfysik II Ht Kinetik 5.1 Allmänt om kinetik. Massverkningslagen (eng. law of mass action ) Processer

SCR vid hög temperatur och höga koncentrationer

Godkänt-del. Hypotetisk tentamen för Termodynamik och ytkemi, KFKA10

Kapitel 6. Termokemi

Föreläsning. Termodynamik och Förbränning 26/

Lösningar till tentamen i Kemisk termodynamik

Bindelinjer gäller för bestämd temp. Hävstångsregeln gäller.

Tentamen i Termodynamik och Statistisk fysik för F3(FTF140)

Biokemi. SF1538 Projekt i simuleringsteknik. Skolan för teknikvetenskap. Introduction. Michael Hanke. Kemiska reaktioner

Problemlösning 2 Stokastisk simulering., Problemlösning 2 Stokastisk simulering 1/13

Meddelande. Föreläsning 2.5. Repetition Lv 1-4. Kemiska reaktioner. Kemi och biokemi för K, Kf och Bt 2012

Kap 2 Reaktionshastighet. Reaktionshastighet - mängd bildat eller förbrukat ämne per tidsenhet

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Hur förändras den ideala gasens inre energi? Beräkna också q. (3p)

Idealgasens begränsningar märks bäst vid högt tryck då molekyler växelverkar mera eller går över i vätskeform.

Kinetik. Föreläsning 4

Kap 4 energianalys av slutna system

Bestämning av hastighetskonstant för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon

Energibalans och temperatur. Oorganisk Kemi I Föreläsning

Kemisk jämvikt. Kap 3

1. Lös ut p som funktion av de andra variablerna ur sambandet

Bestämning av hastighetskonstant och aktiveringsenergi för reaktionen mellan väteperoxid och jodidjon i sur lösning Jodklockan

Selektiv och katalytisk hydrogenering av 4-vinylcyklohexen

Kap 3 egenskaper hos rena ämnen

Kapitel 3. Stökiometri

Provmoment: Tentamen Ladokkod: A116TG Tentamen ges för: TGKEB16h. Tentamensdatum: Tid: 09:00 13:00

Repetition F8. Lunds universitet / Naturvetenskapliga fakulteten / Kemiska institutionen / KEMA00

Kapitel IV. Partikeltalet som termodynamisk variabel & faser

CHALMERS TEKNISKA HÖGSKOLA. Institutionen för kemi- och bioteknik

KEMI. Ämnets syfte. Kurser i ämnet

Återvinning av polymerer

Förbränning. En kort introduktion Christian Brackmann

Transkript:

Industriella Reaktorer 2005 Föreläsare: Johan Wärnå rum 252 Kompendium, Industriella Reaktorer Uppgifter i Industriella Reaktorer Föreläsningar mån 13-15 Ri ti 8-10 Stina to 13-15 Ri fre 10-12 Stina

Industriella Reaktorer 2005 Räkneövningar ca 9 st Godkända före deltagande i tent Deadline 2 månader efter kursens slut Tent 4.5.2005 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?

Innehåll 1 2 3 4 5 6 7 Inledning Stökiometri och kinetik Homogena reaktorer Katalytiska tvåfasreaktorer Katalytiska trefasreaktorer Gas-vätskereaktorer Reaktorer med en reaktiv fast fas Bilagor 1-8

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

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

Process A --> A + A 1 2 3 H 2 Iso-propanol --> aceton + H 2 Aceton T 0 Isopropanol Q V T x I Separations kolonn Reaktor

Kemisk reaktor In Reaktor Ut!" #$"!

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

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

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

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

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

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

Vad behövs modellering till %"

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

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

Reaktormodelleringens principer Stökiometri Kinetik och termodynamik Reaktion & diffusion Reaktor modell

money / euro Kostnadsfördelning + - laboratory pilot production time plantconstruction

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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 2 2 3 2 T + + + = 1 1 0 1 1 0 0 1 2 1 ν (1) (2)

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

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 1 + 0 R 2

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

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

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

Aktiveringsenergin

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

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

Reaktionstermodynamik Vätskefassystem Jämviktskonstanten bestäms vanligen experimentellt 1.2 Gasfassystem 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0 2 4 6 8 10 Jämviktskonstanten kan beräknas ifall man känner S r 0 H r 0

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

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

Homogena reaktorer En fas Vätska eller gas Satsreaktor Tubreaktor Tankreaktor

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

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

Satsreaktor

Satsreaktor i laboratorieskala

Parallella satsreaktorer för test av katalysator

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)

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

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.

Omblandning i satsreaktor

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

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

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

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

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

CSTR

CSTR

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

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

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

Tubreaktor

Tubreaktor

Tubreaktor i laboratoriet # &

Tubreaktor med parallella tuber

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

Tubreaktor Nackdelar Stabiliteten Hot spot uppstår lätt vid exotermiska reaktioner

Temperatur och koncentration i satsreaktor

Kylsystem för reaktorer