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

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

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 % :

(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

6,0

5,0

12104,7lL

L

V

MTD

Tloušťka laminárního filmu kapaliny (1)

přímé měření nemožné => hodnota parametru ϑ se

odhaduje z nepřímých měření

hrubý odhad : (3)

z koeficientu přestupu hmoty : (4)

31

2

2

g

A

LA

Dk

Tloušťka laminárního filmu kapaliny (2)

Semiempirické rovnice : Calderbank a Moo-Young :

(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

31

5,0

42,0 gD

k l

l

ALA

31

32

31,0 gD

k l

l

ALA

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 (7)

ε = zádrž plynu

hL = klidová zádrž plynu

hR = výška disperze (l)+(g) (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

Bda

6

L

LR

h

hh

AlA CDkar

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

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 :

(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 :

centrálním difuzorem

ejektorem

41

4

2

gC

a

v LL

L

LG

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 : Ed = disipovaná energie

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 :

n = frekvence otáček míchadla

(12) dM = průměr míchadla

dR = průměr reaktoru

(13)

5,0

6,0

2,04,0

44,1

S

Gd vEa

23. Md dnkonstE

32

1

2

32

1

2

2

1

R

R

M

M

d

d

d

d

n

n

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)

plyn (15)

5,05,15,73 GRaxL vdD

GRaxG vdD 27,19

Vliv teploty na výkon reaktoru

rychlostní konstanta : Arrheniova exponenciální

závislost na „T“

(16)

pro reakce 1. řádu k plynné složce :

(17)

pro vliv „T“ na „r“ při p=konst. nutné započítat i

změnu tenze par kapaliny.

n

A

m

Bn

n

A

m

B pCH

kCCkr 1

´

rozpAA HEE ´

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

(18)

odpor sdílení tepla ve stěně trubky je zanedbatelný

Calderbank : (19,20)

chlazení navařenými nebo do stěny zapuštěnými

trubkami je účinnější, než chlazení v duplikátoru

21

111

5,1

22,0

1Pr

5780L

Gv

L

pLC

Pr

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