Reaktory pro systém plyn kapalina

FCHT

Reaktory pro systém plyn – kapalina

Lubomír Krabáč 1

Probublávané reaktory: příklady procesů oxidace organických látek kyslíkem, resp. vzduchem

vyšších parafinů na mastné kys., toluenu na kys. benzoovou, p-xylenu na kys. tereftalovou, cyklohexanu na cyklohexanon, acetaldehydu na kys. octovou, ethylenu na acetaldehyd

chlorace

benzenu na chlorbenzen nebo hexachlorcyklohexan, dodekanu na dodecylchlorid, toluenu na benzylchlorid, fenolu na chlorfenoly, reakce chloru s ethylenem v (l) dichlorethanu, reakce chloru s acetylenem v (l) tetrachlorethanu

hydrogenace org. látek s homogenním katal.

esterů mastných kys.

jiné reakce

sulfonace dodecylbenzenu SO3, sulfatace nastných alkoholů SO3, alkylace benzenu ethylenem nebo propylenem, polymerace olefinů v roztocích katal., hydratace acetylenu na acetaldehyd, ethoxidace alkohol, fenolů a aminů


Reakce plynu s kapalinou (1) VELMI RYCHLÉ REAKCE 

  

veškerý plyn absorbovaný v kapalině zreaguje v blízkosti mezifázového rozhraní (absorpce kyselého plynu, např. CO2, do roztoku báze), nejdůležitější absorpce, chemická reakce pouze jako její urychlení, stechiometricky jednoduché reakce, selektivita nehraje roli, reaktory – kolony s patry nebo náplní. obr. 1: náplňová kolona 3

Zvětšování měřítka systémů plyn - kapalina

Typická měřítka a procesy:

mikro

Filmování bublin v koloně

Motivace:

Tvorba bublin

meso

Párová interakce

makro

“Nature is hierarchically ordered with respect to length and time scales” Mnohočetná interakce

Tok v reaktoru


Reakce plynu s kapalinou (2) POMALÉ REAKCE  

vyžadují velký reakční objem (→ velkou zádrž kapaliny), výkon reaktoru a selektivita procesu ovlivněny: - relací mezi rychlostí sdílení hmoty a rychlostí chem. reakce, - axiálním promícháváním kapaliny nebo plynu, - reakční teplotou a tlakem plynu, - intenzitou odvodu tepla,



příklady procesů: oxidace, chlorace, hydrogenace aj. reaktory – průtočné, vsádkové (pro menší výrobní kapacity).



obr. 2: průtočný reaktor 5

Rychlost reakce plynných látek s kapalinami: kinetická oblast • Filmový model transportu vs. penetrační teorie • Nejpomalejší krok – chemická reakce film plynu

film kapaliny

fázové rozhraní


Rychlost reakce (1) 

 

  

rychlost procesu ovlivněna: - rychlostí sdílení hmoty v plynné fázi, - rychlostí sdílení hmoty v kapalné fázi, - rychlostí chemické reakce, difúze plynu velice rychlá – nebrzdí proces, z hlediska vlivu přestupu hmoty v (l) fázi na rychlost chem. reakce: KINETICKÁ OBLAST – kapalina nasyc. plynem do rovnováhy, DIFÚZNÍ OBLAST – plyn zcela zreaguje ve filmu kapaliny, PŘECHODNÁ OBLAST – chem. reakce a přenos hmoty probíhají srovnatelně rychle, většina procesů v probubl. reaktorech – přechodná oblast, výtěžek procesu důležitější než výkon reaktoru – selektivita! při riziku následných reakcí (např. oxidace až na CO2) – kinetická o.

Rychlost reakce plynných látek s kapalinami : difúzní oblast

• Nejpomalejším (rychlost určujícím) dějem je difúze • Složka „A“ zreaguje již v tenkém filmu kapaliny u fázového rozhraní

přechodová oblast


Rychlost reakce (2) 



posun ke kinetické oblasti: - snížením reakční teploty, - zvětšením mezifázového povrchu, posouzení vlivu difuze na rychlost procesu - parametry: ▼ KOEFICIENT MOLEKULÁRNÍ DIFUZE odhad pomocí Wilkeova vztahu ▼ TLOUŠŤKA LAMINÁRNÍHO FILMU KAPALINY nelze stanovit přímo, nutno odhadnout z nepřímých měření,

▼ RYCHLOSTNÍ KONSTANTA REAKCE PLYNU S KAPALINOU ▼ RELATIVNÍ ZÁDRŽ PLYNU, MEZIFÁZOVÝ POVRCH velikost mezifáz. povrchu ovlivněna energií disipovanou v systému na překonání povrch. napětí kapaliny – lze ji dodat mícháním, proudícím plynem nebo proudící kapalinou. 9


Reaktory a jejich konstrukce (1) VĚŽ S PROBUBLÁVANOU VRSTVOU KAPALINY 



 

zavádění plynu ke dnu věže: - děrovaným patrem, - děrovanými trubkami, - fritami, - tryskami, rychlost plynu v otvoru trysky by měla zaručovat hodnotu Re 5∙103 – 104 (velikost bublin je nezávislá na průměru otvorů), vložení děrovaných přepážek nebo náplně → zvětšení mezifáz. povrchu, ejektor – velmi účinná dispergace plynu v kapalině (vznik malých bublinek plynu).

obr. 3: modifikované věže s probublávanou kapalinou: a) s centr. difuzorem; b ) s ejektorem 10


Reaktory a jejich konstrukce (2) REAKTOR S MÍCHADLEM 





nejlepší typy míchadel pro dispergaci plynu v kapalině: - turbína (plyn je zaváděn pod osu míchadla), - aerační míchadlo, velikost měrného povrchu závisí hlavně na (Calderbankův vztah): - povrch. napětí s, - disipované energii Ed, - rychlosti proudění plynu vG, axiální promíchávání - vždy snižuje výkon reaktoru (reakce mají kladný řád k plynné složce), - problém jen u vysokých věží, průtokové reaktory = ideální mísiče, - lze jej snížit vložením děrovaných přepážek nebo náplně, pro kontinuální uspořádání kaskáda věží nebo reaktorů s míchadlem. 11


Parametry reaktoru 





vliv TEPLOTY na výkon reaktoru - závislost rychlostní konstanty na teplotě – Arrheniova exponenc. fce, - kinetická rovnice vliv TLAKU na výkon reaktoru - reakce mají kladný řád k plynné složce → i malé zvýšení tlaku má velký vliv na výkon reaktoru, vliv CHLAZENÍ reaktoru - reakce mezi plynem a kapalinou exotermní → intenzita odvodu tepla ovlivňuje výkon reaktoru, - odvod reakčního tepla: ▼ prostupem tepla stěnou reaktoru (chlazení v duplikátoru), ▼ chladičem uvnitř reaktoru, ▼ vnějším výměníkem s cirkulací kapaliny, ▼ odpařováním kapaliny, ▼ nastřikováním surovin o nižší teplotě, ▼ kombinací několika způsobů.

12


Intenzifikace reaktoru s probublávanou vrstvou kapaliny 

 



 

určení relat. výkonu reaktoru (srovnáním výkonu reaktoru s experimentálně zjištěnou rychlostí v kinetické oblasti), posouzení, zda je výkon ovlivněn odchylkami od ideál. axiálního promíchávání, je-li relat. výkon < 1 → lze zvýšit měrný povrch: - větším průtokem plynu, - změnou trysek na zavádění plynu, - použitím ejektoru, posouzení zvýšení výkonu a selektivity omezením axiálního promích.: - vestavbou děrovaných přepážek, - použitím náplně, - přechodem na kaskádu, zvýšení měrného mezifáz. povrchu → přiblíž. ke kinetické oblasti, je-li výkon limitován chlazením → intenzifikace odvodu tepla.


Literatura 

Hanika J.: Vícefázové reaktory. 1. vyd. Vysoká škola chemickotechnologická v Praze, Praha 1997. ISBN 80-7080-290-1;



http://www.fs.cvut.cz/cz/u218/peoples/hoffman/PREDMETY/ZSVZ/Fot o/Ruzne/Resize%20of%20Kolona%20naplnova-nacrt.jpg;



http://polymer.w99of.com/images/cstr.jpg.

14

Reaktory pro systém plyn kapalina

Recommend Documents