Aplkvaá reakčí ketka κίνησις "kess", phyb, phybvat Z/z, 2/2 Předášky : A32, úterý 13,00-15,00 Cvčeí: BS2, středa 16,00-18,00 Dc. Ig. Bhuml Berauer, CSc. Ig. Mla Berauer, PhD., Dr. Ig. Vlastml Fíla Uděleí zápčtu: 2 úspěšě abslvvaé testy v průběhu semestru (6. a 13. výukvý týde) Zkuška: ústí (každé úterý ve zkušebím bdbí) PROGRAM 1. Základí pmy, stechmetre, defce reakčí rychlst. 2. Elemetárí reakce. Závslst reakčí rychlst a tepltě. 3. Sustavy reakcí. Reakce vraté, paralelí, ásledé. Kmplexí reakce. 4. Blace v stermích sustavách s chemcku reakcí. Frmulace hmtstí blace pr vsádkvé a průtčé sustavy v ustáleém a dyamckém stavu. 5. Základí mdely chemckých reaktrů pr hmgeí sustavy. Odhad ketckých parametrů z stermích ketckých dat ve vsádkvé a průtčé uspřádáí. 6. Blace eerge v reaguících sustavách. Mdely hmgeích reaktrů v estermím režmu. 7. Dyamcké chváí hmgeích reaktrů v estermím režmu, dsažeí ustáleéh stavu, eh stablta. 8. Reakce v hetergeích sustavách. 9. Hetergeí katalytcké reakce. 10. Přes hmty a tepla v hetergeích reaguících systémech. 11. Nedeálí tk v reaguících sustavách, rzděleí dby zdržeí částc tekuty, axálí dsperze. 12. Reaktry s ehybu a fludí vrstvu katalyzátru, mdely katalytckých reaktrů. 13. Příklad ávrhu průmyslvéh reaktru a základě labratrích dat. 14. ypy průmyslvých reaktrů a ech kstrukčí řešeí. Zápčet ze cvčeí bdrží t studet, kteří dsáhu v každém průběžém testu ALESPOŇ 50 bdů. kteří výše uvedeé krtérum esplňuí, budu muset abslvvat zápčtvý test v rzsahu dpvídaícímu eúspěšým testům (2 eb 4 příklady). Zápčet bdrží t, kteří dsáhu v tmt testu ALESPOŇ 50 bdů.
Studí materály 1. Pzámky z předášek a cvčeí 2. Materály a www strákách Ústavu argacké techlge (http://web.vscht.cz/~berauem/) 3. Fgler Sctt H.: Elemets f Chemcal React Egeerg, 4 th Edt, Pretce Hall, 2006. 4. Msse R.W., Mms C.A., Savlle B.A., Itrduct t Chemcal React Egeerg ad Ketcs, J. Wley&Ss, N.Y. 1999. Sftware : MS Excel, (Matlab, Octave,.)
1. Základí pmy, stechmetre, defce reakčí rychlst 2NO N 2 + O 2 Kyslík Dusík NO NO 2 uzavřeý (vsádkvý) systém t =0 t > 0 O 2 NO 2 2 NO N2 N2 O 2 2 2 2 NO O NO O 2 2 2( ) NO NO O O 2 2 2 2 NO N NO N 2 2 2( ) NO NO N N 2 2 ( ) ( ) NO O 2 O NO 2 N 2 N2 2 1 1-2NO + O 2 + N 2 = 0 Symbly pr slžky NO = A 1 O 2 = A 2 N 2 = A 3 Stechmetrcké kefcety 1 = -2 2 = 1 3 = 1 3 1 A 0 0 prdukty 0 výchzí slžky (reaktaty)
Rzsah reakce Extet f react [ks:] NO 2 NO ( O 2 1 O 2 ) ( N 2 1 N 2 ) Z uvedeé defce vyplývá, že rzsah reakce : 1. má rzměr látkvéh mžství (vyádřeéh v mlech), 2. závsí a stechmetrckém zápsu reakce, 3. e extezví velča (závsí a celkvé hmtst systému)
Rzsah reakce (stupeň přeměy) v becém případě edé reakce t = 0 t > 0 Uzavřeý systém N 1 A 0 0 prdukty reakce 0 výchzí látky
Příklad 2NO N 2 + O 2 A NO, A N, A O 1 2 2 3 2 2, 1, 1 ν 1 2 3 νa A 1 2 1 1, A A2 A A1 2 1 1 A2 0 A 3 3 Násbeí matc?
Kverze klíčvé slžky max X * max X max X max X X X (0,1) X X 100 (0,100) X X Lmtí pčet mlů klíčvé slžky (rvváha, eb 0) * 0
Rzsah reakce v becém případě sustavy reakcí N 1 reakce k A 0 k 1, NR slžka Matce stechmetrckých kefcetů νa 0 Pčet mlů slžky, které zreague v k-té reakc k k k ν.......... 11 12 1N 21 22 2N NR,1 NR,2 NR, N NR k k k1 1 1 1 2 2 2,, ξ...... N N NR νξ raspzce matce ν
Příklad Oxdace amaku a Pt-Rh katalyzátru NH 3 + 1.25 O 2 NO + 1.5H 2 O (1) NH 3 + O 2 0.5 N 2 O + 1.5H 2 O (2) NH 3 + 0.75O 2 0.5 N 2 + 1.5H 2 O (3) Stechmetrcká matce A 1 A 2 A 3 A 4 A 5 A 6 Reakce NH 3 O 2 NO N 2 O N 2 H 2 O (1) -1-1.25 1 0 0 1.5 (2) -1-1 0 0.5 0 1.5 (3) -1-0.75 0 0 0.5 1.5
Blace slžek ve vsádkvém (uzavřeém) reakčím systému vyádřeá pmcí rzsahů reakcí Slžka t = 0 t > 0 NH 3 1 O 2 2 NO 3 N 2 O 4 N 2 5 H 2 O 6 1 1 1 2 3 ( ) 2 2 1 2 3 3 3 1 1.25 0.75 4 4 2 0.5 5 5 3 0.5 6 6 1 2 3 1.5( ) 6 6 0.2513 1 1 νξ νξ 1 1 1 1,25 1 0,75 1 1 0 0 2 0 0.5 0 0 0 0,5 1,5 1,5 1,5 3 mlárí zlmek NH y ( ) 1 1 2 3 1 6 0.2513 1 3
(Leárě) ezávslé reakce Sustava NR reakcí e ezávslá estlže h()=nr (hdst matce eb ν = NR) maxmálí pčet (leárě) ezávslých reakcí = h()
Příklad NH 3 + 1.25 O 2 NO + 1.5H 2 O (1) NH 3 + O 2 0.5 N 2 O + 1.5H 2 O (2) NH 3 + 0.75O 2 0.5 N 2 + 1.5H 2 O (3) 2NO N 2 + O 2 (4) Hdst matce určíme Gaussvu elmací: 1 1.25 1 0 0 1.5 1 1.25 1 0 0 1.5 1 1 0 0.5 0 1.5 0 0.25 1 0.5 0 0 1 0.75 0 0 0.5 1.5 0 0.5 1 0 0.5 0 0 1 2 0 1 0 0 1 2 0 1 0 1 1.25 1 0 0 1.5 1 1.25 1 0 0 1.5 0 0.25 1 0.5 0 0 0 0.25 1 0.5 0 0 0 0 1 1 0.5 0 0 0 1 1 0.5 0 0 0 2 2 1 0 0 0 0 0 0 0 h()=3 puze 3 reakce su ezávslé
Pužtí rzsahů reakcí v průtčých (tevřeých) reakčích systémech F F Vstupí mlárí tk -té slžky[mly -té slžky/s] N 1 A 0 k 1, NR k NR k k k 1 F F Předpklad: Ustáleý stav F, F -výstupí, vstupí mlárí tky slžek [ml/s] k rzsah k-té reakce za edtku času [ml/s] F F F2 F2 2 F, F, ξ...... F N F N NR 1 1 1 F = F + νξ Výstupí mlárí tk -té slžky[mly -té slžky/s]
Blace chemckých prvků (průtčý systém) N 1 A 0 k 1, NR k Předpklad: Ustáleý stav, -výstupí, vstupí tk -téh chemckéh prvku [ml/s] Φ = Φ 1 1 2 2 Φ, Φ.... NEL NEL NEL pčet prvků v uvažvaé sustavě
Elemetárí matce E Prvek Slžka N H O NH 3 1 3 0 O 2 0 0 2 NO 1 0 1 N 2 O 2 0 1 N 2 2 0 0 H 2 O 0 2 1 V chemcké reakc edchází ke vzku a k záku chemckéh prvku: νe = 0
Mlárí* hmtst -té slžky: NEL M E m m 1 M = Em M1 m1 M2 m2 M, m.... MN mnel - atmvá hmtst -téh prvku Pr mlárí hmtst dstaeme (zřemu) relac νm = νem 0 prtže νe 0 http://www.st.gv *he mle s the amut f substace f a system whch ctas as may elemetary ettes as there are atms 0.012 klgram f carb 12. Avgadr cstat = 6.022 141 29(27) 10 23 ml 1
Blace atmů ve vsádkvém a průtčém systému Vsádkvý (uzavřeý) system: = + νξ E = E + E ν ξ E + νe ξ E Průtčý (tevřeý) systém v ustáleém stavu: F = F + νξ E F = E F + E ν ξ E F + νe ξ E F prtže νe 0 Výsledě E E 0 E F F = E F F 0 yt rvce su pužíváy pr vyrváí (recclac) blačích dat. Nebsahuí stechmetrcké vztahy. Psledí rvce (průtčý system) e platá puze v ustáleém stavu.
Příklad Selektví redukce NO x pmcí C 3 H 8 F F Ustáleý stav, ezámá stechmetre F [ mle / m] F [ mle / m] NO NO 2 CO C 3 H 8 CO 2 H 2 O O 2 N 2 4.563 0.1845 0 2.943 0 0 90 0 2.2905 2.3355 0 2.898 x x x x Vypčtěte chyběící výstupí mlárí tky E F - F = E F 0 1-NO 2-NO 2 3-CO 4-C 3 H 8 5-CO 2 6-H 2 O 7-O 2 8-N 2 N 1 1 0 0 0 0 0 2 O 1 2 1 0 2 1 2 0 C 0 0 1 3 1 0 0 0 H 0 0 0 8 0 2 0 0 E1 E2 E F E F 0 1 1 2 2 E F E F 2 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 2 1 F E E F QF Q E E F F F F F F F F 1 2 3 4 5 6 7 8 ezámé F
Pmcí Excelu sad spčítáme (DC 1) Q 0 0 1 3 0 0 0 4 0.5 1 0.5 5 0.5 0.5 0 0 A dále 1 2 2 1 1 1 F E E F QF F [ mle / m] F [ mle / m] NO NO 2 CO C 3 H 8 CO 2 H 2 O O 2 N 2 4.563 0.1845 0 2.943 0 0 90 0 2.2905 2.3355 0 2.898 0.135 0.18 88.76 0.061
Selektvta Pčet mlů (pžadvaéh) prduktu vzkléh z edh mlu zreagvaé výchzí látky Výtěžek Pčet mlů (pžadvaéh) prduktu vzkléh z edh mlu vstupí výchzí látky Příklad Oxdace amaku Cmpet t = 0 t > 0 NH 3 O 2 1 2 ( ) 1 1 1 2 3 NO 3 3 3 1 N 2 O N 2 4 5 H 2 O 6 1.25 0.75 2 2 1 2 3 0.5 4 4 2 0.5 5 5 3 6 6 1 2 3 1.5( ) S Y NONH 3 3 1 1 ( ) ( ) 3 1 1 NONH 3 1 1 1 2 3 1 2 3 Selektvta (vzku) NO Výtěžek NO
Reakčí rychlst Reakčí rychlst e defváa ak časvá změa rzsahu reakce (IUPAC Gld Bk = rate f cvers ) R R r r k d 1 dt d dt k d dt d d.. r dt dt d A ml.s Rychlst vzku (záku) slžky A NR NR k A.. k k rk R=νr k1 dt k1 1
V prax bvykle měříme rychlst vzku (sptřeby) edtlvých slžek a z ch pčítáme reakčí rychlst R exp νr R A exp tat rvce platí puze přblže exp vzhledem k expermetálím chybám v hdtách R. K výpčtu r pužíváme metdy emeších čtverců (N>NR) s výsledkem 1 exp r νν νr r k Příklad (DC 2) Parí refrmg methau (5 slžek, N=5, 2 reakce, NR=2) CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 (1) CO + H 2 O CO 2 + H 2 (2) Měřeé hdty Rexp : (-0.97572, -2.88778, -1.02127, 4.832804, 2.078537) Opět pmcí Excelu sad spčítáme ν 1 1 1 3 0 12 3 1 0 1 1 1 1 νν 3 4 νν ν -0.10256-0.02564 0.179487 0.230769-0.07692 0.076923-0.23077-0.38462 0.076923 0.307692 r1 0.94619 r2 1.99546
Specfcká (měrá reakčí rychlst) Reakčí rychlst vztažeá a bem 1 1 d 1 1 d rv r ml.m. s V V dt V dt r V, k 1 1 dk rk V V dt 3 1 Reakčí rychlst vztažeá a hmtst 1 1 d 1 1 d rm r ml.kg. s m m dt m dt r M, k 1 1 dk rk m m dt 1 1
Reakčí rychlst vztažeá a plchu 1 1 d 1 1 d rs r ml.m. s S S dt S dt r S, k 1 1 dk rk S S dt 2 1 Reakčí rychlst vztažeá a pčet mlů reakčích (aktvích) ceter r r RS RS, k 1 1 d 1 1 d r dt dt RS RS RS 1 1 dk rk dt RS RS s 1
Příklad (DC 3) V katalytckém průtčém reaktru prbíhá reakce v plyé fáz CO (g) + 2H 2(g) CH 3 OH (g) D reaktru e přvádě 1000 kg.h -1 CO a mžství vdíku dpvídaící vstupímu mlárímu pměru H 2 :CO = 2:1. Reaktr bsahue 1200 kg katalyzátru a a výstupu z reaktru e hmtstí tk CO 860 kg.h -1. Určete: 1. Středí reakčí rychlst vztažeu a hmtst katalyzátru v ml.kg -1.s -1. 2. Jestlže měrý pvrch katalyzátru e 55 m 2.g -1, určete středí reakčí rychlst 3. vztažeu a pvrch katalyzátru v ml.m -2.s -1. 3. Jestlže a 1 m 2 katalyzátru přpadá 10 19 katalytcky aktvích míst, určete středí reakčí rychlst vztažeu a ed aktví míst katalyzátru v s -1. 4. Vypčtěte vstupí a výstupí slžeí reakčí směs v mlárích zlmcích. Data: M CO = 28,010 kg.kml -1 N A =6,0221x10 23 ml -1 (Avgadrva kstata)