Reaktory pro systém plyn-kapalina

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

Prováděné reakce  Rychlé 

:

všechen absorbovaný plyn zreaguje již na fázovém rozhraní (př. : absorpce kyselých plynů : CO2, H2S, SO2, SO3, NO2, HCl, Cl2)

 Pomalé 

:

př. : oxidace vzduchem, chlorace, homogenní hydrogenace, sulfonace, sulfatace, polymerace…

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

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 : pA = CA·H(T) ~ fA=aA·H(T) (1) Rychlost procesu ovlivňují :  rychlost sdílení hmoty v plynné fázi  rychlost sdílení hmoty v kapalné fázi  rychlost chemické reakce

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

Koncentrační profil kinetické oblasti :  

tzv. filmový model rychlost určující děj je chemická reakce => ustálené koncentrační profily všech složek

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)

Selektivita následných reakcí A + B => C A + C => D



Následné reakce probíhají při : oxidacích  chloracích  sulfonacích Posun do kinetické oblasti :  snížení teploty  zvýšení mezifázového povrchu  snížení parciálního tlaku plynu 



Výtěžek látky „C“ 



difuzní oblast : preferována následná reakce kinetická oblast : následná reakce není podporována



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

Koeficient molekulární difuze 

Lze odhadnout pomocí Wilkeova vztahu, chyba nepřesahuje 12 % : 12 T    M L  D  7,4 10   L Vl 0,6

0, 5

 

  

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

(2)

Tloušťka laminárního filmu kapaliny (1) 





přímé měření nemožné => hodnota parametru ϑ se odhaduje z nepřímých měření hrubý odhad :

z koeficientu přestupu hmoty :

       2   g  2

k LA 

DA



1

3

(3)

(4)

Tloušťka laminárního filmu kapaliny (2) 

Semiempirické rovnice : Calderbank a Moo-Young :

 DA    0,42    l 

0,5

2

3   1 D k LA   l  g  3 k LA  0,31  A    l  g  3  l  (5) (6)  1. 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

1

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

Relativní zádrž plynu a mezifázový povrch      



a = mezifázový povrch db = střední průměr bublin ε = zádrž plynu hL = klidová zádrž plynu hR = výška disperze (l)+(g) Experimentální stanovení : 

fotografování bublin = > db



reakční rychlost v dif. oblasti :

6 a dB

(7)

hR  hL  hL

(8)

r  a  k  DA  CAl

(9)

„a“ ovlivněno : 



energiíí disipovanou v systému na překonání povrchového napětí bublin konstrukcí reaktorů

Konstrukce reaktorů 

Věž s probublávanou vrstvou kapaliny  



Reaktor s míchadlem  



s centrálním difuzorem s ejektorem turbínové míchadlo aerační míchadlo

Kaskády reaktorů pro potlačení vlivu axiální disperze   

série věží ležatý válec s přepážkami kolona se sítovými patry a vysokými přepady

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

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 = 5x103 až 104, při těchto hodnotách není velikost bublin závislá na průměru otvoru trysky

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 :   L  vG   L  C  L  a  g 

2 L 4

 





4

(26)

platí pro d ϵ (0,1;3) mm; vG ϵ (0,03;0,3) m/s a ϵ (50;500) m2/m3 při ε ϵ (0,05;0,4)

Mezifázový povrch lze zvýšit : 

  

1

centrálním difuzorem ejektorem

 

a) věž s centrálním difuzorem b) věž s ejektorem

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

Velikost měrného povrchu míchaných reaktorů 

Calderbank :

E

0, 4 d



0, 2

 vG      S 

0,5

Ed = disipovaná energie a  1,44  0, 6   σ = povrchové napětí  vG = rychlost proudění plynu  vS = rychlost stoupání „single“ bubliny  vG ϵ (0,18;0,25) m/s; příkon míchadla = 1-5 kW/m3  vztahy pro zvětšování měřítka reaktorů : 

Ed  konst.  n3d M2

n1  d M 2     n2  d M 1 

2

3

n = frekvence otáček míchadla (12) dM = průměr míchadla 2 3  d R 2  dR = průměr reaktoru   

 d R1 

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

DaxL  73,5  d R1,5  vG0,5

plyn

DaxG  19,7  d R2  vG

(14) (15)

Vliv teploty na výkon reaktoru 





rychlostní konstanta : Arrheniova exponenciální závislost na „T“ 1 m n (16) r  k´CB  C A  k  n  CBm  p An H pro reakce 1. řádu k plynné složce : (17) E A´ E A  H rozp

pro vliv „T“ na „r“ při p=konst. nutné započítat i změnu tenze par kapaliny.

 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

Chlazení reaktoru – přestup tepla 



závisí na dílčích koeficientech přestupu tepla 1 1 1    1  2 (18) odpor sdílení tepla ve stěně trubky je zanedbatelný vG0, 22 Calderbank : 1  5780 1,5 PrL



 LC p Pr  L

(19,20)

chlazení navařenými nebo do stěny zapuštěnými trubkami je účinnější, než chlazení v duplikátoru

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 

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