Reaktory pro systém plyn-kapalina

Rozměr: px
Začít zobrazení ze stránky:

Download "Reaktory pro systém plyn-kapalina"

Transkript

1 Reaktory pro systém plyn-kapalina Vypracoval : Jan Horáček FCHT, ústav 111

2 Prováděné reakce Rychlé : všechen absorbovaný plyn zreaguje již na fázovém rozhraní (př. : absorpce kyselých plynů : CO 2, H 2 S, SO 2, SO 3, NO 2, HCl, Cl 2 ) Pomalé : př. : oxidace vzduchem, chlorace, homogenní hydrogenace, sulfonace, sulfatace, polymerace

3 Výkon reaktoru a selektivitu procesu ovlivňují : Vztah rychlosti sdílení hmoty a rychlosti reakce Velikost mezifázového povrchu na jednotkový objem reaktoru Axiální promíchávání kapaliny a plynu Intenzita odvodu tepla

4 Rychlost reakce plynných látek s kapalinou Reakce : A + B <=> C A : plynný reaktant B : kapalný reaktant - B je v rozpouštědle, nebo přímo tvoří kapalnou fázi Na rozhraní (g) - (l) se předpokládá rovnovážné nasycení kapaliny plynem : p A = C A H(T) ~ f A =a A H(T) (1) Rychlost procesu ovlivňují : rychlost sdílení hmoty v plynné fázi rychlost sdílení hmoty v kapalné fázi rychlost chemické reakce

5 Dělení absorpcí s chemickou reakcí podle vlivu sdílení hmoty v kapalné fázi Kinetická oblast : veškerá kapalina je nasycena plynnou složkou do rovnováhy Difuzní oblast : plynná složka zreaguje ve filmu kapaliny Přechodná oblast : chemická reakce a přenos hmoty probíhají srovnatelně rychle

6 Koncentrační profil kinetické oblasti : tzv. filmový model rychlost určující děj je chemická reakce => ustálené koncentrační profily všech složek

7 Difuzní oblast : Rychlost určujícím krokem je difuze Složka A reaguje v : tenkém filmu kapaliny na fázovém rozhraní (2) filmu plynu na fázovém rozhraní u reakcí pod vlivem sdílení hmoty v plynné fázi (1) Složka A částečně prochází filmem : přechodná oblast : (3)

8 Selektivita následných reakcí A + B => C A + C => D Výtěžek látky C difuzní oblast : preferována následná reakce kinetická oblast : následná reakce není podporována Následné reakce probíhají při : oxidacích chloracích sulfonacích Posun do kinetické oblasti : snížení teploty zvýšení mezifázového povrchu snížení parciálního tlaku plynu

9 Parametry nutné k popisu vlivu difuze na rychlost procesu Koeficient molekulární difuze Tloušťka laminárního filmu kapaliny difuzní koeficient koeficient přestupu hmoty Rychlostní konstanta reakce Relativní zádrž kapaliny/plynu Mezifázový povrch

10 Koeficient molekulární difuze Lze odhadnout pomocí Wilkeova vztahu, chyba nepřesahuje 12 % : D 7, T M V L 0,5 L 0,6 l (2) T = teplota ML = molekulová hmotnost χ = asociační parametr rozpouštědla μl = viskozita Vl = molární objem difundující složky = Σnl vl + Σbl vl = atomové příspěvky molárních objemů prvků

11 Tloušťka laminárního filmu kapaliny (1) přímé měření nemožné => hodnota parametru ϑ se odhaduje z nepřímých měření hrubý odhad : 2 2 g 1 3 (3) D A z koeficientu přestupu hmoty : kla (4)

12 Tloušťka laminárního filmu kapaliny (2) Semiempirické rovnice : Calderbank a Moo-Young : k LA 0,5 D A 0,42 l g l 1 3 (5) (6) rovnice pro db > 2 mm, 2. rovnice pro db < 0,8 mm pro db ϵ (0,8; 2) mm koeficient závisí na velikosti bublin Intenzita sdílení hmoty kolem velkých bublin je větší, protože povrch bublin je pohyblivý Povrch malých bublin je tvrdý, rozdíl kla je maximálně čtyřnásobný proti velkým bublinám k LA 2 3 D A 0,31 l g l

13 Rychlostní konstanta reakce plynu s kapalinou Stanovení reakční rychlosti je základ výpočtu reaktoru Její znalost je nutná pro posouzení relativního výkonu reaktoru => základ intenzifikačních úvah Měření v kinetické oblasti, jinak se měří rychlost transportu hmoty Měřící zařízení : intenzivně třepaná a temperovaná nádoba reaktory s turbinovým nebo aeračním míchadlem

14 Relativní zádrž plynu a mezifázový povrch a = mezifázový povrch db = střední průměr bublin (7) ε = zádrž plynu h hl = klidová zádrž plynu R hl hr = výška disperze (l)+(g) hl (8) Experimentální stanovení : fotografování bublin = > db reakční rychlost v dif. oblasti : (9) a ovlivněno : energiíí disipovanou v systému na překonání povrchového napětí bublin konstrukcí reaktorů a r a 6 d B k D C A Al

15 Konstrukce reaktorů Věž s probublávanou vrstvou kapaliny s centrálním difuzorem s ejektorem Reaktor s míchadlem turbínové míchadlo aerační míchadlo Kaskády reaktorů pro potlačení vlivu axiální disperze série věží ležatý válec s přepážkami kolona se sítovými patry a vysokými přepady

16 a) série věží b) ležatý válec s přepážkami c) kolona se sítovými patry a vysokými přepady

17 Věž s probublávanou vrstvou kapaliny plyn je přiváděn ke dnu věže : děrovaným patrem děrovanými trubkami fritami : skleněné, keramické, kovové tryskami v otvoru trysky je doporučená hodnota Re = 5x10 3 až 10 4, při těchto hodnotách není velikost bublin závislá na průměru otvoru trysky

18 Zvýšení mezifázového povrchu věžových reaktorů měrný povrch je závislý na rychlosti plynu vg v průmyslu 0,05 0,3 m/s příklad výpočtu : Dierendonckova rovnice : platí pro d ϵ (0,1;3) mm; vg ϵ (0,03;0,3) m/s a ϵ (50;500) m 2 /m 3 při ε ϵ (0,05;0,4) Mezifázový povrch lze zvýšit : centrálním difuzorem ejektorem v G a L L L C g 2 L (26)

19 a) věž s centrálním difuzorem b) věž s ejektorem

20 Reaktory s míchadlem nečastější míchadla : turbínové : plyn je zaváděn pod lopatky míchadla aerační : zavádění plynu dutou hřídelí míchadla vg je maximálně 0,1 m/s vzhledem k průměru reaktoru, jinak hrozí zahlcení míchadla plynem

21 Velikost měrného povrchu míchaných reaktorů Calderbank : 0,4 0,2 Ed = disipovaná energie E 1,44 d v a G 0,6 σ = povrchové napětí S vg = rychlost proudění plynu vs = rychlost stoupání single bubliny vg ϵ (0,18;0,25) m/s; příkon míchadla = 1-5 kw/m 3 vztahy pro zvětšování měřítka reaktorů : 0,5 E d n n 1 2 konst d d M 2 M n dm 2 3 d d R n = frekvence otáček míchadla (12) 2 dm = průměr míchadla 3 2 dr = průměr reaktoru 1 R

22 Reaktory se sníženým vlivem axiální disperze axiální disperze : snižuje výkon reaktoru a selektivitu procesu závisí na průměru reaktoru (dr > 1m => ideální mísič) Towel a Ackermann : axiální difuzivity : kapalina (14) D axl 1,5 0,5 73,5 dr vg plyn (15) D axg 19,7 d 2 R v G

23 Vliv teploty na výkon reaktoru rychlostní konstanta : Arrheniova exponenciální závislost na T r pro reakce 1. řádu k plynné složce : E k C A E pro vliv T na r při p=konst. nutné započítat i změnu tenze par kapaliny. m B A C n A H k rozp 1 H n C m B p n A (16) (17)

24 Vliv tlaku na výkon reaktoru : všechny reakce jsou kladného řádu => vysoký vliv na výkon reaktoru Chlazení reaktoru : všechny reakce jsou exotermní => chlazení v duplikátoru chladičem v reaktoru vnějším výměníkem odpařováním kapaliny nástřik chladné suroviny kombinace několika způsobů

25 Chlazení reaktoru přestup tepla závisí na dílčích koeficientech přestupu tepla (18) odpor sdílení tepla ve stěně trubky je zanedbatelný Calderbank : (19,20) 1 chlazení navařenými nebo do stěny zapuštěnými trubkami je účinnější, než chlazení v duplikátoru ,22 v G 1,5 PrL Pr LC p L

26 Zásady intenzifikace probublávaných reaktorů porovnání výkonu reaktoru s rychlostí v kinetické oblasti (ideální mísič) posouzení vlivu odchylek od ideálního axiálního promíchávání na výkon reaktoru možnosti zvýšení měrného povrchu zvýšení průtoku plynu zvážení instalace děrovaných pater, náplně nebo přechodu ke kaskádě pro zvýšení výkonu a omezení vlivu axiální disperze posouzení vlivu teploty a tlaku na selektivitu procesu + přiblížení ke kinetické oblasti + zvýšení mezifázového povrchu Intenzifikace odvodu tepla

27 KONEC Použitá literatura : Hanika J. : Vícefázové reaktory, VŠCHT Praha, 1997 Horák J., Pašek J.: Návrh průmyslových chemických reaktorů z laboratorních dat, SNTL Praha, 1978