Aplikované chemické procesy

Transkript

1 Aplkované chemcké pocesy Blance eaktoů Chemcký eakto Základní ysy chemckého sou učovány těmto faktoy: způsob přvádění výchozích látek a odvádění poduktů, způsob povádění eakce (kontnuální nebo dskontnuální) způsob ozložení koncentace složek v eakčním postou způsob výměny tepla s okolím Př sestavování blance lbovolného typu vycházíme z obecné blanční ovnce: množství klíčové složky v nástřku vcházeící do - množství klíčové - množství klíčové = výsledná ychlost složky v nástřku složky přeměněné v změny množství odcházeící z chemckou klíčové složky v eakcí Idealzované typy eaktoů Vsádkový eakto (BATCH) Půtočný deálně míchaný eakto (CSTR) Půtočný eakto s pístovým tokem (PFR) V paktckém povozu lze deálního stavu dosáhnout pouze přblžně. Příklady typckých nedeálních stavů: a) tvoba eálných poudových polí, ako sou mtvé zóny (1), zkatové poudy (2) b) tanspotní pocesy v ednotlvých fázích, ako axální zpětné míchání c) tvoba koncentačních a teplotních poflů v důsledku tanspotních odpoů uvntř a mez fázem (např. vlv dfúze) d) neúplné míchání eaktantů 1

2 Vsádkový eakto (BATCH) Složení nezávsí na místě v Složení závsí na čase dynamcký systém blance ve fomě df. ovnc Základní ozdělení adabatcký zotemní Vsádkový eakto (BATCH) Hlavní aplkace: 1) eakce v kapalné fáz 2) eakce kapalna pevná fáze Výhody: ychlá změna eakčních podmínek používá se po látky vyáběné v malém měřítku lepší řízení pocesu než v nepřetžtém povozu, pokud e přítomna pevná nebo vysoce vskózní fáze dobře defnovaná doba zdžení Nevýhody: elatvně vysoké povozní náklady díky dlouhým postoům a osobním nákladům ozdíly v kvaltě mez podukty, potože eakční podmínky sou pouze částečně epodukovatelné omezené možnost řízení teploty, zeména u vysoce endotemckých nebo exotemckých eakcí Vsádkový eakto látková blance Vstup + zdo = výstup + akumulace 0 + V s dt = 0 + dn. dn Vs dt dc dt x Vs Stupeň přeměny -té eakce dt 0 d c Konveze -té složky dt 2

3 Vsádkový eakto látková blance množství klíčové složky v nástřku vcházeící do - množství klíčové - množství klíčové = výsledná ychlost složky v nástřku složky přeměněné v změny množství odcházeící z chemckou klíčové složky v eakcí Vsádkový eakto entalpcká blance Vstup + zdo = výstup + akumulace d ( Vc pt ) 0 V H qa dt H c0 T T0 [ adabat.] c p qa Q KA T 1 K 1 R 1 C T c Výpočet vsádkového Učení eakčních podmínek a konečné konveze, učení koncentace klíčové složky Učení doby eakce řešením látkových blancí (sotemní) nebo společné řešení látkové a entalpcké blance (nesotemní) Výpočet doby potřebné po eakční cyklus (t=eakce+plnění+vypouštění+čštění) Učení počtu eakčních cyklů za blanční čas Učení látkového množství poduktu, kteé e třeba vyobt v eakčním cyklu Učení obemu, obvykle se volí skutečný obem ovný 4/3 až 3/2 vypočteného obemu 3

4 Vsádkový zotemní eakto Příklad - hypotetcký Chlod sodný lze vyobt eakcí HCl a NaOH v zotemckém vsádkovém. Celkově e třeba vyobt 10 t.d -1. Vsádkový eakto e plněn směsí obsahuící 300kg.m -3 HCl a 500kg.m -3 NaOH, zbytek e voda. Hustota e 1045 kg.m -3 a nemění se v půběhu eakce. Reakční ychlost lze popsat výazem =k 1.c HCl.c NaOH -k 2 c NaCl.c H2O.Př teplotě 373 K sou k 1 = m 3.mol -1.s -1 k 2 = m 3.mol -1.s -1 Reakce bude zastavena, když konveze HCl dosáhne hodnoty 0,4. Vypočítete potřebný obem, estlže doby na vypuštění, vyčštění a napuštění další šaže e 45 mnut. Půtočné eaktoy kontnuální přísun eaktantů a odvod poduktů (a nezeagovaných eaktantů) poměnné: nástřk, obem, konveze v ustáleném stavu nesou ntenzvní velčny (c, p, T, ) závslé na čase (ychlost změny = 0) a) koncentace a teplota sou všude stené CSTR b) eakční směs postupue pístovým tokem s ovnným ychlostním poflem, složení se mění od vstupu k výstupu - PFR Míchaný, půtočný eakto (CSTR) Neexstuí místní ozdíly ve složení nebo teplotě Exstue ustálený stav (tok hmoty vstup=výstup) Skoková změna koncentace u nástřku T 0,F.n A0 T 1 T 1, F.n A1 4

5 Míchaný, půtočný eakto Hlavní aplkace: 1) eakce v kapalné fáz 2) eakce kapalna plyn Výhody: nízké povozní náklady, zeména př vysokých půtocích stené složení výobků v důsledku snadné epodukovatelnost řízení pocesu šoký ozsah půtoků Nevýhody: konečná konveze nžší než u ostatních typů eaktoů vysoké nvestční náklady přechod na né výobky obecně složtý a časově náočný poces Míchaný, půtočný eakto látková blance Vstup + zdo = výstup + akumulace n 0 + V = n V n n c c - střední doba zdžení Míchaný, půtočný eakto látková blance klíčové složky množství klíčové složky v nástřku vcházeící do - množství klíčové - množství klíčové = výsledná ychlost složky v nástřku složky přeměněné v změny množství odcházeící z chemckou klíčové složky v eakcí F 0 F VR 0 VR F 0 X za konst. V,T a Sn =0: VR FV ( c0 c ) FV c0 X c 0 1 c - střední doba zdžení 5

6 Míchaný, půtočný eakto entalpcká blance Vstup + zdo = výstup + akumulace F q c p T 0 +Q 0 +(-H)V = F q c p T 1 +Q c Q1 Q T0 T1 ) ( H ) [ d. mích., ] V 0 p ( učení např. potřebného tepelného výkonu k udžení zadané teploty, nebo ustálenou teplotu př daném půtoku enege Výpočet míchaného, půtočného Zštění eakčních podmínek, výstupní koncentace nebo konveze, výstupní teploty a podmínky přestupu tepla Učení množství poduktu za blanční období Učení obemu eakční směs v řešením látkových a entalpckých blancí, skutečný obem e volen ako 4/3 vypočteného obemu Půtočný, deálně míchaný eakto Příklad - hypotetcký Chlod sodný lze vyobt eakcí HCl a NaOH v zotemckém půtočném.celkově e třeba vyobt 10 t.d -1. Na začátku e k dspozc směs obsahuící 300 kg.m -3 HCl a 500 kg.m -3 NaOH, zbytek e voda. Hustota e 1045 kg.m -3 a nemění se v půběhu eakce. Reakční ychlost lze popsat výazem =k 1.c HCl.c NaOH -k 2 c NaCl.c H2O.Př teplotě 373 K sou k 1 = m 3.mol -1.s -1 k 2 = m 3.mol -1.s -1 Reakce e ukončena, když konveze HCl dosáhne hodnoty 0,4. Vypočítete potřebný obem, nástřk a poovnete s obemem vsádkového. 6

7 Kaskáda CSTR Po řešení e výhodné počítat s konvezem po ednotlvé členy ako s konvezem vztaženým na vstupní koncentac vstupuící do kaskády k-tý člen kaskády X X 1 k c 0 c c 0 c0 c c 0 1 k c c c c X k c0 c0 X k Tubkový eakto (PFR) Půtočný eakto s pístovým tokem dv =Sdz F n A0 F n A F(n A +dn A ) n AL z=0 z z+dz z=l Složení závsí na délkové souřadnc složení v daném místě nezávsí na čase ustálený stav v čase Blance ve fomě dfeencálních ovnc Časté použtí s výměnou tepla Tubkový eakto (PFR) Hlavní aplkace: 1) eakce v plynné fáz 2) eakce kapalna plyn 3) katalytcké eakce 4) eakce v kapalné fáz Výhody: příznvá konstukce po egulac teploty nepohyblvé mechancké část možnost použtí vysokých tlaků Nevýhody: Velm vysoký stupeň specalzace, často s komplkovanou konstukc a vysoké nvestční náklady poměně velká tlaková ztáta 7

8 Tubkový eakto látková blance Vstup + zdo = výstup + akumulace n + Sdz = n +dn + 0. d dz dn S dz S. V c dc S. dz V Stupeň přeměny -té eakce Tubkový eakto látková blance množství klíčové složky v nástřku vcházeící do blancovaného elementu - množství klíčové - množství klíčové = výsledná ychlost složky v nástřku složky přeměněné v změny množství odcházeící z chemckou klíčové složky v blancovaného eakcí elementu F n F ( n dn ) dv 0 dvr F dn F n 0 R dx ntegací VR F n X 0 0 dx Tubkový eakto látková blance V. n e. n dn. n o e o d Pokud e obemový půtok konstantní t.v=v =F.S F e ychlost poudění způměovaná podle půřezu dc F c, T dz 8

9 Tubkový eakto entalpcká blance Vstup + zdo = výstup + akumulace F q c p T+(-H)Sdz= F q c p (T+dT)+ 0 Poovnání základních eaktoů Doba potřebná k dosažení učté konveze PFR = BATCH < CSTR u BATCH e ale třeba počítat s opeačním časem PFR se chová ako kaskáda nekonečného počtu CSTR Obem po dosažení učté konveze PFR<CSTR PFR nevhodný po pomalé eakce Možnost tlumt nežádoucí eakce (např. CSTR vs. PFR) závslost ychlost vznku nežádoucího poduktu na koncentac eaktantu e větší než u žádoucího poduktu Poovnání základních eaktoů (eakce 1. řádu) Vsádkový eakto Půtočný míchaný eakto (ustálený stav) Tubkový eakto s pístovým tokem 9

10 Konveze v ůzných eaktoech (eakce 1. řádu) Reaktoy kapalná fáze Reaktoy - plynná fáze endo exo 10

11 Reaktoy plyn - kapalna Reaktoy pevná fáze - plyn Reaktoy pevná fáze - kapalna 11

12 Typy eakcí a vhodné eaktoy fáze fáze Reakto homogenní plyn kontnuální homogenní kapalna kontnuální,vsádkový homogenní pevná kontnuální,vsádkový heteogenní Plyn+kapalna kontnuální heteogenní Plyn+pevná kontnuální heteogenní Kapalna+pevná kontnuální,vsádkový heteogenní Kapalna+kapalna kontnuální,vsádkový heteogenní všechny kontnuální,vsádkový 12