2.1. Reakcje następcze w reaktorach przemysłowych
2.2. Reakcje współbieżne w reaktorach przemysłowych
2.3. Proces w reaktorze zamkniętym
2.4. Procesy w reaktorach przepływowych
2.5. Szeregowy układ reaktorów przepływowych
2.6. Reaktory w instalacjach z obiegiem powrotnym
2.7. Wymiana gazów w aparaturze procesowej
2.8. Absorbery dwustrumieniowe
3. Przykłady obliczeń technologicznych
3.1. Konwersja tlenku węgla z parą wodną
3.2. Wytwarzanie kwasu benzenosulfonowego
3.3. Utleniające prażenie rudy cynku
3.4. Produkcja kwasu fosforowego(V)
3.5. Synteza amoniaku
3.6. Synteza metanolu
3.7. Wytwarzanie kwasu azotowego(V) z amoniaku
3.8. Wytwarzanie cykloheksanu z benzenu
3.9. Proces chlorowania metanu
3.10. Wytwarzanie chlorku allilu przez chlorowanie propenu .
3.11. Konwersja metanu z parą wodną
3.12. Wytwarzanie kwasu siarkowego(VI) z siarki
Literatura
4. r – szybkość reakcji [mol·(m3·s)–1]
d d ai β – szybkość przetwarzania składnika i [s–1]
d d ci β – szybkość przetwarzania składnika i [mol·(m3·s)–1]
5. k – stała szybkości reakcji, jednostka zależy od rzędowości reakcji
6. V – natężenie przepływu [m3·s–1]
7. u – prędkość liniowa strumienia [m·s–1]
8. x – całkowity stopień przemiany substratu [mol/mol]
xi
9. – stopień przemiany substratu w produkt i [mol/mol]
Zadanie 1. Zamknięty reaktor zbiornikowy w warunkach zupełnego wymieszania reagentów
Z
Z-1.1. W zamkniętym reaktorze zbiornikowym o objętości czynnej υr [m3] przy zupełnym wymieszaniu reagentów przebiega proces, w którym zachodzą dwie reakcje następcze R1 i R2 o równaniach stechiometrycznych:
Z-1.2. Reakcje R1 i R2 są nieodwracalnymi reakcjami I rzędu, których szybkość jest określona przez równania kinetyczne: R1 r c kc11 = = ⋅ ⋅ ⎡ ⎣ ⎢ ⎤ ⎦ ⎥
W warunkach procesu stała szybkości reakcji R1, k1 1 0001 = ,. s
Z-1.3. Stężenie początkowe substratu A c A 3 mol/m. 0 1000 = Całkowite stężenie reagentów A, P i B nie zmienia się w toku procesu, c cc APB 3 mol/m. ++= 1000
Z-1.4. Proces zachodzi w stałej temperaturze. C
Należy wyznaczyć:
Zależności określające wpływ czasu przebywania 1. β reagentów w stanie reakcji na ich udziały molowe: a a AA = () β , a a PP = () β , a a BB = () β .
2.1. Reakcje następcze w reaktorach przemysłowych
Zależności określające wpływ czasu przebywania
2. β reagentów w stanie reakcji na szybkość przetwarzania substratu A d d Aa β ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ , szybkość wytwarzania produktu B d d Ba β ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ i wypadkową szybkość wytwarzania produktu
pośredniego P d d Pa β ⎛ ⎝ ⎜ ⎞ ⎠ ⎟ .
R
Jeżeli reakcje następcze R1 i R2 prowadzi się w układzie jednorodnym w zamkniętym reaktorze zbiornikowym o objętości czynnej υr , to zgodnie z założeniem Z-1.3 całkowite stężenie molowe mieszaniny reagentów nie zmienia się w toku procesu. W celu wyprowadzenia zależności między stężeniem substratu A i czasem przebywania reagentów β , równanie (2.1) po odpowiednim przekształceniu całkuje się w zakresie wartości: stężenia od c A0 do c A oraz czasu przebywania od 0 do β
W wyniku całkowania otrzymuje się zależność:
Przekształcając ten wynik, otrzymuje się zależność a a AA = () β między udziałem molowym substratu A w mieszaninie reagentów i czasem przebywania β:
Z równań (2.1), (2.3) i (2.4) wynikają zależności określające wpływ czasu przebywania β na szybkość zmian stężenia (rA) i udziału molowego substratu A w toku procesu:
oraz
chemiczne w reaktorach przemysłowych
przetworzona w produkt i, do całkowitego stopnia przemiany x substratu A
we wszystkich zachodzących współbieżnie reakcjach: σi xi x = .
Znajdujące się w tym rozdziale zadania dotyczą reakcji współbieżnych, które są prowadzone w trzech modelowych reaktorach:
1. szania reagentów.
W zamkniętym reaktorze zbiornikowym w warunkach zupełnego wymie-
W przepływowym reaktorze zbiornikowym w warunkach zupełnego wy- 2. mieszania reagentów.
W przepływowym reaktorze rurowym, w którym proces zachodzi w wa- 3. runkach przepływu tłokowego.
OZNACZENIA
STOSOWANE W PODROZDZIALE 2.2
ci 1. – stężenie molowe składnika i [mol/m3]
ai 2. – udział molowy składnika i [mol/mol]
cP 3. – całkowite stężenie molowe produktów reakcji [mol/mol]
β 4. – czas przebywania reagentów w stanie reakcji [s] k – stała szybkości reakcji [s 5. –1]
r c = d d P β
6. – całkowita szybkość wytwarzania produktów reakcji mol ms 3
r c i i = d dβ
7. – szybkość wytwarzania produktu i mol ms 3 ⎡
8. x – całkowity stopień przemiany substratu [mol/mol]
xi 9. – stopień przemiany substratu w produkt i [mol/mol]
σi xi x = 10. – ogólna selektywność przemiany substratu w produkt i
ξ i ri r = 11. – chwilowa (lub miejscowa) selektywność przemiany substratu w produkt i
Zadanie 4. Zamknięty reaktor zbiornikowy w warunkach zupełnego wymieszania reagentów
Zadanie 4A. Selektywność współbieżnych reakcji pierwszego rzędu
Z
Z-4.1. Proces jest prowadzony w zbiornikowym reaktorze zamkniętym w warunkach zupełnego wymieszania, czyli przy jednorodnym składzie mieszaniny reagentów.
Reakcje współbieżne w reaktorach przemysłowych
Z-4.2. Objętość czynna reaktora w toku procesu jest stała: υr = const.
Z-4.3. Proces prowadzi się w warunkach izotermicznych.
Z-4.4. W układzie zawierającym trzy reagenty A, G i H zachodzą dwie nieodwracalne reakcje R1 i R2 o równaniach stechiometrycznych:
1A → 1G
1A → 1H
Z-4.5. Szybkość reakcji R1 i R2 określają następujące równania kinetyczne, w których β oznacza czas przebywania reagentów w stanie reakcji:
CNależy wyprowadzić zależności przedstawiające związek między całkowitą selektywnością σG i σH reakcji R1 i R2 od rozpoczęcia do zakończenia procesu, i wartościami stałych szybkości k1 i k2 tych reakcji: σ σ GG = () kk12 , i σ σ HH = () kk12,.
RProces zachodzi w układzie o jednorodnym składzie (założenie Z-4.1). Z równań stechiometrycznych reakcji R1 i R2 wynika, że całkowita liczba moli reagentów nie zmienia się w toku reakcji. Objętość mieszaniny regentów jest stała (założenie Z-4.2), więc całkowite stężenie molowe reagentów c = const.
W założonych warunkach całkowity stopień przemiany substratu A po zakończeniu procesu można wyrazić następująco:
gdzie: nA0 – początkowa liczba moli substratu A [mol]; nA – zmienna liczba moli substratu A [mol]; c A0 – początkowe stężenie molowe substratu A [mol/m3]; c A – zmienne stężenie molowe substratu A w toku procesu [mol/m3]; Δc A – przyrost (ujemny) stężenia molowego substratu A w toku procesu [mol/m3].
W analogiczny sposób można wyrazić cząstkowe stopnie przemiany substratu A w produkt G ( ) xG i w produkt H ( ) xH po zakończeniu procesu: