INŻYNIERIA REAKTORÓW CHEMICZNYCH Prowadzący: Prof. Dr hab. Mgr inż. Michał Palica WPROWADZENIE Inżynieria reaktorów chemicznych zajmuje się projektowaniem i eksploatacją aparatów, w których zachodzą reakcje chemiczne na skale przemysłową. Operacja ta, podobnie jak inne operacje jednostkowe, rozwinęła się od ujęć czysto empirycznych do ogólnych syntetycznych ujęć teoretycznych. Przed reakcją surowce poddaje się odpowiednim operacjom przygotowawczym, a po reakcji produkty oddziela się od nie przereagowanych surowców, aby uzyskać dla nich odpowiednią wydajność i czystość. Ilościowe ujęcie zjawisk reaktorowych wymaga określenia: wielkości żądanego reaktora; wyboru najbardziej odpowiedniego typu reaktora dla danej reakcji; Należy zdawać sobie sprawę z tego, że oprócz kosztów samego reaktora optymalne rozwiązanie winno ujmować koszty całej instalacji i powinny mieć wartość minimalną, stąd przy projektowaniu reaktorów korzysta się z wielu dziedzin fizyki i chemii, w tym z termodynamiki, kinetyki chemicznej, dynamiki płynów, ruchu ciepła i masy, mechaniki, wytrzymałości i ekonomii. Informacje takie, będące syntezą z tych dziedzin nauki (a zwłaszcza fizyki i chemii), winny umożliwić prawidłową interpretację zjawisk zachodzących w reaktorach chemicznych. Jest to zwykle zagadnienie trudne do opisu (matematycznego), a wynika to z połączenia informacji z różnych dziedzin wiedzy. Jednocześnie tłumaczy to, dlaczego właśnie rozwój tej operacji jednostkowej był wolniejszy od opisu innych fizycznych operacji jednostkowych. Ponadto mnogość reakcji powodowała, że pełne ujęcia oparte o dane eksperymentalne były trudne do zrealizowania. Głównie z powodu rozbudowanego aparatu matematycznego , szczególnie dla reakcyjnych układów wielofazowych. Wymienione dziedziny fizyki i chemii pozwalają stwierdzić: jakich zmian należy oczekiwać? (statyka) jak szybko te zmiany zachodzą? (dynamika) Odnośnie do zmian składu reakcji, dane takie daje termostatyka, a co do szybkości reakcji - kinematyka procesu. Kinetyka jest przy tym wypadkową szybkości samej reakcji oraz towarzyszącym im ruchowi masy i ciepła. Termostatyka pozwala dla danej reakcji określić w danych warunkach: ilość ciepła wyzwalaną lub absorbowaną w czasie reakcji; maksymalny stopień przereagowania, który wynika z równowagi układu (czyli ze stanu uzyskiwanego po nieskończenie długim czasie);
(…)
… mieszaniny reakcyjnej, czyli γ = const.
Ta sama sytuacja dotyczy reaktora o stałej pojemności, np. tzw. Bomby kalorymetrycznej. Natomiast reakcje przebiegające przy γ ≠ const analizuje się odrębnie. Jeśli przyjąć za obowiązujące równanie stanu gazu:
Rg - uniwersalna stała gazowa (niekiedy oznacza się ją wprost R)
Zatem dla reakcji gazowych przy γ ≠ const
W równaniu tym zmiana koncentracji Cj wynika zarówno…
… procesu, w której kinetyce jej siła napędowa jest proporcjonalna do odległości od stanu równowagi. Podobnie interpretuje się moduł napędowy w ruchu masy.
Równania oparte na II Zasadzie Termodynamiki pozwalają znaleźć związek pomiędzy stałą równowagi, a tzw. Potencjałem termodynamicznym Gibbs'a:
- zmiana potencjału (wolnej energii Gibbs'a)
- uniwersalna stała gazowa
- temperatura bezwzględna
- stała…
…:
Ponieważ dla wszystkich zbiorników , a zatem równanie to podaje związek między w poprzednim i następującym po nim stopniu kaskady. Jak wiadomo . Oznacza to, że funkcja może być wykreślna jako funkcja ciągła. Jeśli w tym samym wykresie wykreślić linię pomocniczą jako przekątną w wykresie, to pozioma odległość między tymi liniami oznacza przyrost w każdym stopniu kaskady.
Ilość „schodków” na wykresie odpowiada ilości zbiorników…
… do siebie proporcjach.
Jak wspomniano skład mieszaniny reakcyjnej zmienia się z tytułu przebiegu reakcji, zatem na podstawie równania stechiometrycznego można wyznaczyć ilość zużytych substratów i wytworzonych produktów. Najczęściej szczegółowy zapis równania stechiometrycznego uogólnia się do postaci:
νi - współczynniki stechiometryczne
Ai - poszczególne reagenty
Przyjęto, że νi:
dla substratów νi<0…
… można uogólnić do dowolnego układu reakcji niezależnych. Wówczas współczynnik stechiometryczny musi mieć dwa wskaźniki:
określa reakcję, w której dany składnik uczestniczy;
definiuje sam składnik;
Zatem współczynnik stechiometryczny νri dotyczy składnika Aiuczestniczącego w r - tej reakcji. Równanie stechiometryczne takiej reakcji ma zatem postać:
r = 1, 2, …, R - reakcji
i = 1, 2, …, n - składników
Równanie…
… CIEKŁEJ
Dla fazy ciekłej używa się innych standardów niż dla fazy gazowej. Najczęściej korzysta się z pojęcia aktywności zdefiniowanej jako:
Taka aktywność przy przyjęciu jako stanu standardowego stan czystego składnika cieczy przy p i T układu jest funkcją stężenia składnika w mieszaninie. Jeśli zdefiniować współczynnik aktywności:
Stała jest odpowiednikiem w fazie gazowej. Należy tu pamiętać…
… współczynników aktywności . Najczęściej znane są dla niskich stężeń, a przyjmuje się, że:
Dla ciał stałych przyjmuje się w szerokim zakresie ciśnień, że:
SZYBKOŚĆ REAKCJI
Przez szybkość reakcji rozumiemy ilość składnika odniesienia wytworzoną lub zużytą w jednostce czasu odniesioną do objętości (reaktora płynu), masy katalizatora lub powierzchni międzyfazowej. Podana definicja operuje zatem różnymi wielkościami…
… chemiczną może decydować odpowiednio ukształtowany profil temperaturowy w reaktorze. Szczególnie wtedy, gdy stałe kinetyczne silnie zależą od temperatury.
STECHIOMETRIA
Zmiany składu mieszaniny reakcyjnej wynikają z tytułu przebiegu reakcji a sama reakcja nie zależy od typu reaktora. Reakcję opisuje się odpowiednim równaniem stechiometrycznym, które ma znaczenie bilansowe. Aby spełniony był taki bilans…
... zobacz całą notatkę
Komentarze użytkowników (0)