7. Ετερογενείς καταλυτικές διεργασίες και αντιδραστήρες 7.1 Τύποι ετερογενών καταλυτικών αντιδραστήρων

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "7. Ετερογενείς καταλυτικές διεργασίες και αντιδραστήρες 7.1 Τύποι ετερογενών καταλυτικών αντιδραστήρων"

Χλόη Μελετόπουλος
4 χρόνια πριν
Προβολές:

1 7. Ετερογενείς καταλυτικές διεργασίες και αντιδραστήρες 7. Τύποι ετερογενών καταλυτικών αντιδραστήρων αντιδραστήρες σταθερής κλίνης (διαβρεχόμενοι) κινούμενης κλίνης ρευστοποιημένη κλίνη διασκορπισμού του καταλύτη σε υγρή φάση

2 7. εξωτερικά φαινόμενα μεταφοράς και χημική αντίδραση 7.. εξωτερική μεταφορά μάζας ταχύτητα αντίδρασης ρευστό καταλύτης ρυθμιστικό βήμα. γενική περίπτωση εξωτερική και εσωτερική διάχυση. εξωτερική διάχυση 3. εσωτερική διάχυση 4. επιφανειακή αντίδραση T

3 μη πορώδη καταλύτη και μη αντιστρεπτή αντίδραση n N α( για αντίδραση ης τάξης α α a=/ α αριθμός amöhle S ) a n α α α( S ), Ν (mole/*m 3 ) (m/)=(m /)/δ(m/) α(m /m 3 ) [π.χ. α=6(-ε)d ] εάν α (m /),N (mole/*) ή α α εάν α>>> : a και S = ρυθμιστικό βήμα η αντίδραση n n εάν >>>K α : a πολύ μεγάλο και S ρυθμιστικό βήμα η εξωτερική μεταφορά μάζας α

4 γενικώς a a α σχέσεις για οριακό στρώμα Whitman δ ~ /3 θεωρία Hibie πη t χρόνος επαφής θεωρία ancwet S S - ταχύτητα ανανέωση επιφάνειας

5 εξωτερική διάχυση και ενέργεια ενεργοποίησης a α α δ αae δ α Ae δ -E/T -E/T A e E/T αae δ α Ae δ -E/T -E/T α δ α << Ε << Ae Ε =Ε -E/T

6 πειραματική εκτίμηση της επίδρασης της εξωτερική διάχυσης W F x dx (W/F ) = σταθερό μικρή F μεγάλο δ μικρός

7 7.. Μεταφορά θερμότητας στην εξωτερική επιφάνεια του καταλύτη περιορισμοί διάχυσης θερμική συμπεριφορά συστήματος Q=hα(T -T ) Q = απαγόμενη θερμότητα ανά μονάδα όγκου καταλύτη h = συντελεστής μεταφοράς θερμότητας (Joule/m de) θερμική ισορροπία Q =Q ή (-ΔH)=hα(T S -T ) : ( - ) Q : (T -T )

8 7..3 παράγοντες μεταφοράς μάζας και θερμότητας αναλογία hilton-olbun αναλογία hilton-olbun j H j f j H, j : παράγοντες μεταφοράς θερμότητας, μάζας f : συντελεστής τρίβων j j H St St H P Sc /3 /3 h η uπ κ u η π /3 /3 (e) (e) St : κριτήριο Stanton P : κριτήριο Pandtl Sc : κριτήριο Schmidt e : κριτήριο eynold Le : κριτήριο Lewi (=Sc/P) f (e) j j H (η/π) ( η/κ) /3 /3 h π Le /3 h π j =.7 j H αέρια φάση : Le = h.7 π (-ΔH)=hα(T S -T ) α( - S )(-ΔH)=hα(T S -T ) T T ( ΓH).7 ( π S ) ( - S ) μεγάλη (βραδεία διάχυση) μεγάλη διαφορά (T S -T )

9 7..4 θερμική σταθερότητα καταλυτικού αντιδραστήρα σταθερής κλίνης εξώθερμη ης τάξης Q ( ΓH) ( ΓH) Q hα(t - T ) ( ΓH)Ae α Ae E/T E/T α ( ΓH) E/T Ae α ρυθμιστικό βήμα η αντίδραση >>> (αριστερό τμήμα) Q ( ΓH) ( ΓH) ( ΓH)Ae E/T ρυθμιστικό βήμα η εξωτερική διάχυση <<< (δεξιό τμήμα) Q ( ΔH) ( ΔH) α f (T / ) σχετική θέση γραμμών Q και Q (-ΔΗ), Τ, h

10 θερμική ισορροπία Q =Q ή (-ΔH)=hα(T S -T ) προσδιορισμός (T -T ) αναλυτικά ή γραφικά σημεία σταθερής λειτουργίας Q>Q το σύστημα ψύχεται Q<Q το σύστημα θερμαίνεται Q=Q κατάσταση θερμικής σταθερότητας σύστημα Q -Q Κ, Μ σημεία σταθερής θερμικής λειτουργίας θ K θ M ασταθής περιοχή (L ψευδοσταθερό σημείο) ρύθμιση της Τ λειτουργίας προθέρμανση θερμοχωρητικότητα ψυκτικού π.χ. λειτουργία στο σημείο Μ (υψηλή Τ) είτε προθέρμανση είτε ελάττωση της θερμοχωρητικότητας του ψυκτικού

11 υστέρηση της T συναρτήσει της T 4 κρίσιμο σημείο απόσβεσης κρίσιμο σημείο ανάφλεξης περιοχές - και 3-4 σταθερής λειτουργίας (Q Q ) -3 Q<Q 4- Q>Q

12 7..5 Εξωτερική αποτελεσματικότητα και εκλεκτικότητα του καταλύτη ισόθερμη εξωτερική αποτελεσματικότητα η παπαηηπούμ ενη ηασύηηηα επιπεαζόμε νη από εξωηεπική διάσςζη ηασύηηηα μη επιπεαζόμε νη από εξωηεπική διάσςζη η α η η όηαν α για γενική περίπτωση (T T, ) n η ( ηα) ex ε βηα η α E ε T : αριθμός Aheniu ( ΓH) β T π Le /3 : αδιάστατη αδιαβατική αύξηση θερμοκρασίας από βιβλιογραφία η f (ηα) για διάφορες τιμές ε και β

13 ισόθερμη εκλεκτικότητα (Ε) στις παράλληλες αντιδράσεις καθοριστικό βήμα εξωτερική διάχυση αντίδραση A B n A n A A L m A m A E nm A E nm A E E A A nm n > m E/E < n < m E/E > n = m E/E =

14 7.3 εσωτερικά φαινόμενα μεταφοράς, αντίδραση και διάχυση στους πόρους ρευστό καταλύτης ρυθμιστικό βήμα. γενική περίπτωση εξωτερική και εσωτερική διάχυση. εξωτερική διάχυση 3. εσωτερική διάχυση 4. επιφανειακή αντίδραση

15 7.3. μεταφορά μάζας στους πόρους - διάχυση μοριακή διάχυση (κανονική ή συνήθης) d >λ διάχυση Knuden d <λ επιφανειακή διάχυση d = διάμετρος πόρων λ = μέση ελεύθερη διαδρομή μοριακή διάχυση d >λ A, Aθ f θ = πορώδες (κλασματική κενότητα) σωματιδίου f = δαιδαλόδες των πόρων A (cm /).7 εξίσωση Hichfelde.46 (/M P (ζ t AB A ) ) (/M B f (T/ε ) T ΑΒ ) 3/ (/M A ) (/M B ) διάχυση Knuden d <λ K, Kθ f K u 3 3 8T πm 97 T M K (cm /) 94θ fsπ T M θ f μήκορ ηεμασιδίος Γ K K, ~ N K Ν Κ = ρυθμός διάχυσης S, ρ = ειδική επιφάνεια, πυκνότητα = ακτίνα πόρων u μέζη ηασύηηηα μοπίων

16 μεταβατική περιοχή K, A, ρυθμός διάχυσης (mole/m ) Fic-I d P dy P YA Y N A t A t A A, dz T dz T Γz ΔΖ : πάχος σωματιδίου υψηλές P t : A, (/ Pt ) και K,, = A. *P t =cont N=cont χαμηλές P t : για =cont μικρός K, =cont, = K, P YA Y t A N K, A, ( Pt ) T Γz NA,

Pt T Y Y A A N A, A, Γz /P P cont N cont A, A t A, t A, μικρές : P t

17 μεταβατική περιοχή K, A, (P t ) ρυθμός διάχυσης (mole/m ) Fic-I d P dy P YA Y N A t A t A A, dz T dz T Γz ΔΖ : πάχος σωματιδίου μεγάλες : K,, = A. Pt T Y Y A A N A, A, Γz /P P cont N cont A, A t A, t A, μικρές : P t =cont μικρός K, ( K, << A, ), Pt T Y Y A A N A, K, Γz = K, K, ( ) NA, ( )

18 7.3. μεταφορά θερμότητας στους πόρους του καταλύτη Fouie : από όλη την κάθετη, ως προς την μεταφορά, επιφάνεια του σωματιδίου Q 4π dt d φαινόμενη θερμική αγωγιμότητα - ακτίνα σφαιρικού σωματιδίου Woodide - Meme f θ, f θερμική αγωγιμότητα στερεού, ρευστού θ πορώδες σωματιδίου

19 7.3.3 ταυτόχρονη μεταφορά μάζας και χημική αντίδραση - ισόθερμη αποτελεσματικότητας ισόθερμη εσωτερική αποτελεσματικότητα (η) η παπαηηπούμ ενη ηασύηηηα ανηίδπαζηρ ηασύηηηα ανηίδπαζηρ ζηην εξωηεπική επιθάνεια =η

dc/d= ) inh( inh για όλη τη σφαίρα: αντίδραση=διάχυσηαπό την επιφάνεια 3 d d

20 σφαιρικό σωματίδιο ακτίνας παράγοντας Thiele ( ης τάξης αντίδραση) tanh 3 η ισοζύγιο μάζας αντιδρώντων στον dv=4π Δ Γ 4π d d 4π d d 4π Γ d d d d =, =, =, dc/d= ) inh( inh για όλη τη σφαίρα: αντίδραση=διάχυσηαπό την επιφάνεια 3 d d 4π π 3 4 tanh 3 d d 3 tanh d d όπου συνθήκες επιφάνειας : =, = tanh 3 tanh 3 η /

21 σφαιρικό σωματίδιο η 3 tanh όταν τότε η (<< ή μικρά σωματίδια) μεγάλο τότε μικρές τιμές η (>> ) για > 5 τότε tanh και 3 η

22 υπερβολικό ημίτονο (inh) inh e e υπερβολικό συνημίτονο (coh) coh e e υπερβολική εφαπτομένη (tanh) tanh e e e e - υπερβολική συνεφαπτομένη (coth) coth e e e e

23 επίπεδη πλάκα πάχους L ή ευθύγραμμος κυλινδρικός πόρος μήκους L η tanh L >3 τότε tanh και η

24 εσωτερική διάχυση : ενέργεια ενεργοποίησης τάξη αντίδρασης ης τάξης αντίδραση και ρυθμιστικό βήμα η εσωτερική διάχυση κυλινδρικοί πόροι η L L / / =η Ea T E E T = E E E a E

25 n ης τάξης αντίδραση L (n ) n- η n n L n (n ) n- n L / (n)/ ολική ισόθερμη αποτελεσματικότητα η (εσωτερική εξωτερική) για ης τάξης μη αντιστρεπτή αντίδραση η tanh [ (tanh)/b im] όταν >3 : tanh και L Bi m - αριθμός Biot για την μεταφορά μάζας η [ /Bi m ] L[ /Bi m ] η n δίδεηαι ζηη βιβλιογραθία ζε διαγράμμαηα n = f (n ) για διάθορες ηιμές Bi m η L - αδιάστατη ποσότητα

26 7.3.5 επίδραση της δηλητηρίασης του καταλύτη στην αποτελεσματικότητα και την ταχύτητα αντίδρασης ομοιόμορφη δηλητηρίαση εκλεκτική δηλητηρίαση (στόμιο πόρων) F ηασύηηηα ανηίδπαζηρ ζε δηληηηπιαζμένο πόπο ηασύηηηα ανηίδπαζηρ ζε μή δηληηηπιαζμένο πόπο F η ( α) η η, η : αντίστοιχες αποτελεσματικότατες α: κλάσμα δηλητηριασμένης επιφάνειας ομοιόμορφη δηλητηρίαση μικρό : η και F - α μεγάλο : η και F - α F A εκλεκτική δηλητηρίαση π.χ. στόμιο πόρων F [/( a)] [ ( a) ]/( a) καμπύλες Α,Β

27 7.4 πραγματική και παρατηρούμενη ταχύτητα σε εργαστηριακούς και βιομηχανικούς αντιδραστήρες εργ. αντιδραστήρες : φαινόμενη ταχύτητα αληθινή ταχύτητα : ελαχιστοποίηση επίδρασης μεταφοράς μάζας και θερμότητας τεχνοοικονομικοί λόγοι βιομηχανικοί αντιδραστήρες : εξωτερική μεταφορά μάζας και θερμότητας εσωτερική διάχυση στους πόρους αληθινή ταχύτητα (εργ. αντιδραστήρα) + συνθήκες μεταφοράς μάζας και θερμότητας (βιομηχανικό αντιδραστήρα) ταχύτητα αντίδρασης σε συνθήκες βιομηχανικού αντιδραστήρα

28 γνωστά :. πραγματική ταχύτητα 5. φυσικές ιδιότητες ρευστού. ιδιότητες ρευστού (T, ) (, αριθμοί Pandlt και Schmidt) 3. συνθήκες ροής 6. σχήμα μέγεθος και φυσικές ιδιότητες καταλύτη 4. θερμότητα αντίδρασης (ΔΗ σετ ) 7. πορώδες κλίνης m πραγματική ταχύτητα αντίδρασης σε T, m και η m () μέθοδος δοκιμής - σφάλματος. από διαγράμματα j =f(e), j H = f (e) υπολογισμός,h. επιλογή μίας τιμής T και υπολογισμός (4) m ή α m ( ) () m( ΔH) ha m(t T ) (3) 3. υπολογισμός (η) και από () η m 4. από m υπολογισμός T (3) 5. σύγκριση των δύοt και επανάληψη της διαδικασίας έως την ικανοποιητική προσέγγιση των δύο τιμών 6. υπολογισμός m βάσει της τελικής T αm( )(-H) ha m(t T ) (4)

Σχετικά έγγραφα

ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΣΤΟΥΣ ΠΟΡΟΥΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ

ΣΥΝΔΥΑΣΜΟΣ ΤΗΣ ΑΝΤΙΣΤΑΣΗΣ ΔΙΑΧΥΣΗΣ ΣΤΟΥΣ ΠΟΡΟΥΣ ΜΕ ΚΙΝΗΤΙΚΗ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑΚΗΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Παράγοντας Αποτελεσματικότητας Ειδικά για αντίδραση πρώτης τάξης, ο παράγοντας αποτελεσματικότητας ισούται προς ε = C