CSTR deneyi

8/16/2019 CSTR deneyi

http://slidepdf.com/reader/full/cstr-deneyi 1/12

Deney: Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörde (CSTR) 2. Mertebeden BirReaksiyn!n "n#elenmesi

$. D%&%'"& MC

Sürekli karıştırmalı tank reaktörde gerçekleşen tepkimeye ilişkin hız sabitinin bulunması,

reaksiyon hızına ve reaksiyon hız sabitine yetersiz karışmanın etkisinin ve reaktörün dinamik

davranışlarının incelenmesi.

2. K*RMS+ T%M%++%R

Bir kimyasal tepkimeye eşlik eden eneri de!işimi ve tepkimenin denge konumu

termodinami!in konuları arasında incelenir. "ncak termodinamik, tepkime hızları hakkında

bir şey söylemez. Başlangıçtan denge konumuna ulaşılana dek geçen süre içinde bir kimyasal

tepkimenin# hızını, bu hızın hangi niceliklerle nasıl de!işti!ini ve mekanizmasının yolu

kimyasal kinetik inceler. Bu incelemeler, $iziksel ve kimyasal yöntemlerin birlikte

uygulanmasıyla yapıldı!ından kimyasal kinetik, $izikokimyanın bir dalı kabul edilir. Bir

tepkimenin nereye gitti!i kimyasal termodinamik, hangi hızla oraya gitti!i ise kimyasalkinetik içinde incelenir.

%apılan araştırmalar, bazı tepkimelerin bir basamak, bazılarının ise iki ya da daha çok

basamak üzerinden yürüdü!ünü ortaya çıkarmıştır. Bir basamaklı olanlara basit tepkime, çok

basamaklı olanlara ise basamaklı tepkime, karmaşık tepkime yada kompleks tepkime adı

verilmiştir.

Basit tepkimeler bir yönlü ya da iki yönlü olabildi!i gibi karmaşık tepkimelerin

basamaklarından bazıları iki yönlü di!erleri ise bir yönlü olabilmektedir. Bir yönlü olan

tepkimeye tersinmez tepkime, iki yönlü olan tepkimeye ise tersinir tepkime denir. &ersinmez

tepkimeler tümüyle tamamlandı!ı halde tersinir tepkimeler ancak bir denge konumuna

ulaşılana kadar yürümektedir.

&oplam tepkimenin hızını hız belirleyen basamak adı verilen en yavaş basama!ın hızı kontrol

etmektedir. Başka bir deyişle, bir zincir nasıl en zayı$ halkası kadarsa!lam ise bir karmaşık

tepkime de en yavaş basama!ı kadar hızlıdır. Basamak tepkimeleri ve hız belirleyen basamak,



/erilen i$ade de " bir ürün ise hız poziti$, " harcanan bir tepken ise hız negati$tir. Bu nedenle

0r ", " tepkeninin harcanma hızıdır.

aA +bB→cC +dD

şeklinde verilen bir tepkime de sabit hacimli bir reaktörde " ve B tepkenlerinden 1 ve 2

ürünleri oluşuyor olsun. &epkime sonunda 1 ve 2 ürünlerinin yanında reaktör kabında

reaksiyona girmeden kalan bir miktar " ve3veya B tepkenleride bulunabilir. Böyle bir

reaksiyon için harcanan " tepkeni cinsinden reaksiyon hız i$adesi aşa!ıdaki şekilde yazılır.

−r A=

1

V (d N

A

dt )=d C A

dt =k .C

A

a. C

B

b

Burada a ve b deneysel olarak belirlenmesi gereken sabitlerdir. a reaksiyonun " reaktantına

göre b ise B reaktantına göre reaksiyon mertebesidir. -eaktantlara göre belirlenen hız

mertebelerinin toplamı toplam reaksiyon mertebesini verir. k ise reaksiyon hız sabitidir.

-eaksiyon hızının birimi daima mol.dm45.s46dir. Bu nedenle reaksiyon hız sabitinin birimi

reaksiyon derecesine ba!lı olarak de!işir. -eaksiyon hız sabiti, sıcaklık ve basınçla

de!işmektedir. Bu nedenle, tepkime hızı sıcaklık ve basınç sabit tutularak yapılan deneylerden

elde edilen veriler yardımıyla bulunur. 'enel olarak n. dereceden gerçekleşen bir reaksiyoniçin reaksiyon hız sabitinin birimi#

(zaman)-1(konsantrasyon)1-n’dir

2.2. Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörü (DKTR) ('atışkın /al)



-eaksiyona girecek bileşenler reaktöre sürekli beslenir ve ürün alımı da sürekli

gerçekleştirilir. tkin karıştırma nedeniyle reaktör içinde her noktada karışımın aynı özellikte

oldu!u varsayılır. 7ıkış akımı ile reaktör içeri!i özellikler bakımından aynıdır.

0 1rünler

şeklinde yürüyen homoen bir tepkime için genel mol denklik eşitli!i#

8"o 0 8" 9 ʃ vr "d/ : ;d<" 3 dt=

şeklinde 2(&- reaktörüne uygulandı!ı zaman,

;d<" 3 dt= : +

tepkime hızında konumsal bir de!işme olmaz ;tam karışma= ve

ʃ vr "d/ : /r "

olur. 2(&- tasarım eşitli!i ise#

/ : ;8"o 4 8"= 3 ;0r "=

halini alır. /e sonuç olarak

/ : ;8"o >"= 3 ;0r "=

/eya

/ : ;?o1"o 4 ? 1"= 3 ;0r "=

eşitlikleri türetilebilir.



. D%&%' D13%&%4" e D%&%'S%+ '5&T%M

6ekil $:Sürekli (arıştırmalı ve @iston "kışlı &ank -eaktörü

!eney "# $%rekli karıştırmalı tank reaktörde reaksiyon hız sabitinin bulunması

-eaksiyon hız i$adesi#

r : k.a.b

şeklinde i$ade edilebilir. !er aA:bA ise#

r : k.a

şeklinde basitleştirilebilir.

'enel olarak mertebesi bilinmeyen n. dereceden bir reaksiyon için hız i$adesi#



r : k.an

şeklinde i$ade edilir.

Ckinci dereceden gerçekleşen bir reaksiyon için hız i$adesi dönüşüm cinsinden#

k.t.aA : >"3;60>"= şeklinde i$ade edilirse >"3;60>"= ya karşı t gra$i!e geçirilirse, e!im k.aA

olacaktır.

!er giriş derişimi aA biliniyorsa reaksiyon hız sabiti k belirlenebilir.

Bu deney için D litre +,6 E tilasetat ;tF"c= ;*,G* mHetilasetat36+++ mH solüsyon= ve D

litre +,6 E Sodyum hidroksit ; <aFI= ;J g <aFI36+++ mH solüsyon= gerekmektedir.

<aFI 9 1I51FF1IDK 1I51FF<a 9 1IDFI

Sodyum hidroksit 9 til asetat K Sodyum asetat 9 til alkol

+0+,6 E derişim ve +0J+ L1 sıcaklık çalışma limitlerinde verilen reaksiyon sodyum hidroksit

ve etil asetat bakımında eş molar ve birinci dereceden sayılırken genel olarak ikinci dereceden

gerçekleşen bir reaksiyondur.

Sürekli karıştırmalı tank reaktörde veya boru tipi reaktörde gerçekleşen tepkimede yeterli

dönüşüm sa!lanırsa yatışkın duruma ulaşılabilir.

%atışkın hal durumu# bileşenlerin derişimine, akış hızına, reaktörün hacmine ve reaksiyonun

sıcaklı!ına göre de!işebilir.

$. Sürekli karıştırmalı tank reaktör kimyasal reaktör servis ünitesine ba!lanılır ve

somunlar kapatılır.2. 1ihazın $işi takılır ve ön kısım da yer alan ünite açma kapama anahtarı açık konumuna

getirilir. Mnite açıldı!ı zaman anahtarın üst kısmında yer alan $az lambası yanmalıdır.. Sıcaklık 0 iletkenlik sensörü rektörün üst kısmından yerleştirilir. Sensör portları

kimyasal reaktör servis ünitesine ba!lanılır.7. -eaktör yatışkın duruma geldi!i anda veri alınmaya başlanır. %atışkın duruma gelme

süresi yaklaşık 5+ dakika sürmektedir. 5+ saniyelik aralıklarla JD dakika boyunca

de!işen iletkenlik de!erleri okunur.8. Sıcaklık kontrol panelinden reaksiyon sıcaklı!ı 5+L1 ye ayarlanır.9. Cki ayrı besleme tanklarına besleme tankının kapak seviyesinin D+ mm altına kadar +,6

E etil asetat ve +,6 E sodyum hidroksit doldurulur ve besleme tanklarının kapakları

kapatılır.



. Besleme tanklarındaki bileşenlerin besleme pompası akış hızları her iki bileşen için D+

ml3dak akış hızına ayarlanır.;. (arıştırıcı hızı kontrolörü G,+ ye ayarlanır.<. Su haznesi distile su ile doldurulur. "rdından sirkülatör çalıştırılır sistemden su

geçirilerek borularda kalan hava sistemden uzaklaştırılır. Iaznede su azalınca tekrar suilavesi yapılır. -eaktör kabı içerisine dolaştırılan suyun sıcaklı!ı zamanla otomatik

olarak ayarlanan sıcaklı!a gelir.$=. Sıcaklık ayarlanan de!ere gelince besleme pompaları açılır. Ier bileşen reaktör kabına

girmeden önce ön ısıtıcı ünitede reaksiyon sıcaklı!ına ulaşmak için ısıtılır ardından

reaktöre girer. -eaktörün alt kısmında bir & ba!lantısıyla bileşenler birbiriyle

karıştırılır. Bu esnada iletkenlik sensörünün ölçtü!ü de!er okunur.$$. 2eneyin tamamlanmasının ardından reaktör kabının içi distile suyla yıkanır. Bunun

için besleme tanklarına su doldurulur ve suyun sistemin içinde geçmesi sa!lanır.

Sıcaklık ve iletkenlik sensörlerinin uç kısımları da distile suyla yıkanır.$2. "ynı işlemler reaksiyon hız sabiti ile sıcaklık arasındaki ilişkinin belirlenmesi için

$arklı sıcaklık de!erleri için tekrarlanır.$. "ynı işlemler sabunlaşma reaksiyonu üzerine besleme hızının etkisini belirlemek

amacıyla bileşenler için birbirlerinden $arklı akış hızlarında tekrarlanır.

!eney &# 'etersiz karıştırmanın reaksiyon hızına etkisinin incelenmesi

-eaksiyon hızı# bileşenlerin birim zamanda ürüne dönüşüm miktarlarının toplamıyla

hesaplanır. -eaksiyonun gerçekleşmesi için parçacı!ın temas etmesi vebu temas sonucunda

etkileşmeleri gerekir. -eaksiyon hızı çarpışma $rekansına ve reaksiyona giren maddelerin

partiküllerinin çarpışma verimine ba!lıdır. Bu $aktörler reaktörde karıştırıcı ve tampon

;ba$$le= kullanılarak tam karıştırma ile optimize edilirler.

Sodyum hidroksit ve etil asetat arasında gerçekleşen tepkime de, başlangıç derişimleri ;her

ikisi de a+= ve dönüşüm ;>a= her ikisi içinde eşit ise derişimler,

<aFI 9 1I51FF1IDK 1I51FF<a 9 1IDFI

ao 4>aao 4>a>a>a

şeklinde hesaplanır.

$. " deneyi tamponlar ;ba$$le= çıkarılarak tekrarlanır. Bu işlem için öncelikle iletkenlik

ve sıcaklık sensörleri, ardından reaktör kapa!ı çıkarılır. Bu işlemlerin ardından tampon

düzen kolaylıkla çıkar.2. 2eney tampon düzensiz ve karıştırma olmaksızın tekrarlanır.



Mç $arklı veri elde edilecektir.

. &ampon düzen içeren karıştırmalı reaktör ;2eney "=.. &ampon düzensiz karıştırmalı reaktör.

. &ampon düzensiz ve karıştırma olmayan reaktör.

. lde edilen veriler ile zamana karşılık reaksiyon dönüşümü gra$i!i çizilir ve gra$ik

için gerekli açıklamalar yapılır.

!eney # $%rekli karıştırmalı tank reaktörlerin dinamik davranışlarının incelenmesi

Basamak girdi ;step input= de!işim etkisi ile ortalama alıkonma süresinin hesaplanması#

!er # 1 : Basamak girdi de!işiminden t zaman sonra kaptaki derişim

1o: 'irdi derişimi

tc : Naman sabiti

1 : 1o ;60et3tc=

;d13dt= : ;1o.et3tc= 3 ;tc= olacaktır ve t : + için#

;d13dt= : ;1o3tc=

sonucuna ulaşılır. Böylece tcgra$iksel olarak bulunur.

ethot

$. D litre +,6 E sodyum hidroksit çözeltisi hazırlanır ve besleme tanklarından biri

tepesinden D+ mm aşa!ısına kadar hazırlanan çözelti ile doldurulur. 2i!er besleme

tankı ise sa$ su ;deiyonize su= ile doldurulur.2. -eaktörün karıştırma hızı G,+ olarak ayarlanır.

. Başlangıçta deney oda sıcaklı!ında gerçekleştirilebilir. 8arklı sıcaklıklar gerekiyor isekonsolda yer alan sıcaklık kontrolörü ve sıcak su sirkülatörü kullanılır.

7. Sodyum hidroksit pompası açılır ve mümkün oldu!unca çok çabuk dolabilmesi için

sodyum hidroksitin hızı maksimum noktasına ayarlanır. -eaktör doldu!unda besleme

pompasının hızı + ml3dakya düşürülür. Bu noktada belirli aralıklarla iletkenlik

de!erleri konsoldan okunur.8. Su besleme pompasının hızı D+ ml3dakya ayarlanır.9. -eaktör içerisinde iletkenlik azalmaya başlayacaktır ve yaklaşık 6 saatlik periyot

sonunda iletkenlik de!eri besleme çözeltisinin iletkenli!ine yaklaşır.Son durumda reaktör içerisindeki derişim# cO : ;+3G+=P+,6 : +,+Q E olacaktır.



2eney süresince okunan her bir t süresine karşı lnR;1O016=3;1O01o= de!eri hesaplanır.

Burada16# t süresindeki derişim1o# başlangıçtaki sodyum hidroksitin derişimidir.Iesaplanan de!erler tye karşı gra$i!e geçirilir ve elde edilen e!rinin ;oriinden geçen

düz do!ru= e!imi hesaplanır. ldeedilen e!im alıkonma süresini verecektir, bu da /38

de!erine eşit olacaktır. Burada /# reaktör hacmi ve 8# reaktör içerisindeki toplam akış

hızıdır.

7. S>&*?+R& '>R*M+&MS e /%S@+M+R

-eaksiyon yatışkın hale geldikten sonra JD dakika boyunca 5+ saniye aralıklarla alınan

iletkenlik de!erleri bileşenlerin dönüşümü cinsine çevrilir.

til asetat ve etil alkol raksiyon çözeltisinin iletkenli!ine katkıda bulunmazken hem sodyum

hidroksit hem de sodyum asetat iletkenli!i sa!lar. "ncak sodyum hidroksitin iletkenli!i

verilen konsantrasyon ve sıcaklıkta aynı de!ildir. Cletkenlikten yola çıkarak dönüşüme ba!lı

ilişki kurulur.

8a :

8 b :

aA:

bA:

1 :

& :

/ :

k :ao : ;8a3;8a 9 8 b==.aA bo : ;8 b3;8a 9 8 b==.bA

1O : bo e!er boTao

1O : ao e!er boUao

V1O : +.+G+R69+.+QJ;&4*J=W.1O &U*J için

V

ao

: +.6*DR69+.+6QJ;&4*J=W.a

o

&U*J için



V+ : Vao ;c+:+ varsayılır=

aO : + e!er aoTbo

a

O

: ;ao 4 bo= e!er a

o

Ub

oVaO : +.6*DR69+.+6QJ;&4*J=W. aO e!er aoX +

VO : V1O 9 VaO

a6 : ;aO 0 ao=R Λ

o− Λ1

Λ o− Λ ∞W 9 ao

16 : 1

OR

Λo− Λ1

Λ o−

Λ ∞

W 1o:+ için

>a : ;ao 4 a6=3ao , >c : 1631O 1o : + için

-eaksiyon hız sabitini ;k= hesaplamak için tüm kütle denkli!i aşa!ıdaki şekilde yazılabilir#

-eaktör içindeki hız de!işimi : 'iren 4 7ıkan 9 Birikim

/ hacimli bir reaktörde a reaktantı için#

d;/a6=3dt : 8.ao 0 8.a6 4 /.k.a6

%atışkın halde sürekli çalışan bir reaktör için hacim sabit kabul edilebilir. Bu durumda#

k : ;83/=.R;ao 4 a6=3a6W : R;8a 9 8b=3/W.R;ao 4 a6=3a6W mol3dm5sn

-eaktör içinde yatışkın haldeki <aFI derişimi ;a6= reaksiyon hız sabitini hesaplamak için

kullanılabilir.

"yrıca titrasyon işleminde aşa!ıdaki eşitlikten yararlanarak#

/<aFI . E<aFI : /I1l . EI1l 4 /<aFI . E<aFI

Buradan tepkime başladıktan t süre sonra ortamdaki bazın derişimibulunabilir.

8. TRT6M

$. "rtan derişimin reaksiyon hızını ve reaksiyon hız sabitini nasıl etkiledi!ini açıklayınız.



2. "rtan sıcaklı!ın reaksiyon hızını ve reaksiyon hız sabitini nasıl etkiledi!ini

açıklayınız.. Sıcaklık ve derişim dışında yapılan deneyde reaksiyon hızını ve reaksiyon hız sabitini

etkileyebilecek di!er $aktörleri açıklayınız.7. Iesaplamalar sonucunda elde edilen verileri ve gra$ikleri literatür bilgileriyle

karşılaştırınız.8. 2eneyde sürekli karıştırmalı tank reaktör yerine başka reaktör tiplerinden kullanılsaydı

sonuçların nasıl de!işece!ini açıklayınız.9. &ampon düzenin çıkarılmasının reaksiyon hızına nasıl bir etki gösterdi!ini açıklayınız.

. -eaksiyon hızı üzerine karıştırmanın etkisini açıklayınız

9. S"MA%+%R

" tübüler reaktörün kesit alanı ;cm=

aA besleme tankındaki sodyum hidroksit derişimi ;mol3dm5=

ao besleme karışımındaki sodyum hidroksit derişimi ;mol3dm5=

a6 t anında reaktör içindeki sodyum hidroksit derişimi ;mol3dm5=

aO O zaman sonra reaktör içindeki sodyum hidroksit derişimi ;mol3dm5=

b etil asetat derişimi ;mol3dm5=

;a için yapılan açıklamalar b içinde geçerlidir= ;mol3dm5=

c sodyum asetat derişimi

;a için yapılan açıklamalar c içinde geçerlidir=

8 toplam hacimsel akış hızı ;dm53sn=

8a sodyum hidroksitin hacimsel akış hızı ;dm53sn=

8 b etil asetatın hacimsel akış hızı ;dm53sn=

H tübüler reaktörün ortalama uzunlu!u ;cm=

k reaksiyon hız sabiti

r reaksiyon hız sabiti

t- reaktörde kalma süresi ;sn=t geçen zaman ;sn=



& reaktör sıcaklı!ı ;(=

/ reaktör hacmi ;+,J++ dm5= ;dm5=

>a sodyum hidroksit dönüşümü : ;ao 4 a6=3ao

>c sodyum asetat dönüşümü :;16 4 1o=31O

V iletkenlik ;Siemens3cm=

V+ başlangıç

Vt t anında

VO O anında

. K'&K+R

$. 1F<<F-S 1."., YChemical Kinetics : The Study of Reaction Rates in Solution”,

/1I, <eZ %ork ;6**+=.2. 8F'H- I.S., Y Elements of Chemical Reaction Engineering”, nd ed, @rentice0Iall

[nternational ;6**=.. IF\S&F< @.H., “Chemical Kinetics and Reaction Dynamics”, 6st ed, Ec 'raZ0Iill,

Boston ;++6=.7. E[SS< -.]., “Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics”, ^.

]iley @ress, <eZ %ork ;6***=.8. H/<S@[H F., “Chemical Reaction Engineering”, ^. ]iley @ress, <eZ %ork

;6***=.9. Smith, ^.E., _Chemical Engineering Kinetics’ , Ec'raZ Iill [nt., ;6*Q6=

CSTR deneyi

Documents

Transcript of CSTR deneyi