Κεφάλαιο 5 Πολλαπλοί χημικοί αντιδραστήρες

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Κεφάλαιο 5 Πολλαπλοί χημικοί αντιδραστήρες"

Παραμονιμος Μιχαηλίδης
7 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Κεφάλαιο 5 Πολλαπλοί χημικοί ανιδρασήρες Σε ορισμένες περιπώσεις, σε μια χημική βιομηχανία, η χρήση ενός μόνο χημικού ανιδρασήρα δεν είναι όσο αποελεσμαική όσο θα ήαν επιθυμηό. Συνεπώς, είναι απαραίηο για να επιευχθεί ο απαραίηος βαθμός μεαροπής ενός ανιδρώνος να χρησιμοποιηθεί ένας συνδυασμός ανιδρασήρων, ο ερώημα που ίθεαι όε είναι: Τί ύπου ανιδρασήρες θα πρέπει να χρησιμοποιηθούν; Θα είναι ου ίδιου ύπου / μεγέθους όλοι, ή όχι; Πώς θα συνδεθούν μεαξύ ους, παράλληλα, ή διαδοχικά, ή α δυο; Παρακάω θα εξεασούν μερικές έοιες περιπώσεις. 5.. Διαδοχικοί ανιδρασήρες με ανάμιξη Aς υποθέσουμε όι έχουμε δυο ανιδρασήρες, όγκων V V, με ανάμιξη, συνδεδεμένους σε σειρά, με ην έξοδο ου πρώου να ροφοδοεί ον δεύερο, οπόε η ανίδραση συνεχίζει αυξάνεαι ο βαθμός μεαροπής (Σχήμα 5.). ΣΧΗΜΑ 5.. Ανιδρασήρες με ανάμιξη συνδεδεμένοι σε σειρά. Γράφονας ο βασικό ισοζύγιο μάζας V Q X ( r ) A (5.) για ο βασικό ανιδρών Α που υφίσααι κάποια ανίδραση ης άξης σε υγρή φάση σους δυο ανιδρασήρες βρίσκουμε A (5.α) + A A (5.β) + Π. Μαύρος

2 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ όπου ( V /Q) ( V /Q) οι χωρο-χρόνοι σους δυο ανιδρασήρες. Από ην (5.β) προκύπει όι A (5.) + + X A A (5.4) ( + )( + ) ή γενικόερα, αν θεωρήσουμε όχι μόνο δύο αλλά Ν διαδοχικούς ανιδρασήρες με ανάμιξη, με V j όγκο ον καθένα, ανισοίχως χωρο-χρόνο j: A, j j + j (5.5) X A, j j (5.6) + j -X k ΣΧΗΜΑ 5.. Βαθμός μεαροπής για ανίδραση ης άξης σε υγρή φάση σε συνάρηση με ον αριθμό Damköhler ης άξης ( k) ον αριθμό ανιδρασήρων με ανάμιξη συνδεδεμένων σε σειρά. Σην ειδική περίπωση που οι ανιδρασήρες είναι όλοι ίσου όγκου, με ανίσοιχο χωροχρόνο (), όε: A, + (5.7) υπολογισμένοι για ις συνθήκες εισόδου σον πρώο ανιδρασήρα.

3 Κεφ. 5. Πολλαπλοί χημικοί ανιδρασήρες X A, (5.8) + Da k Da k ΣΧΗΜΑ 5.. Λόγος χωρο-χρόνων ανιδρασήρων με ανάμιξη σε σειρά ως προς ον χωροχρόνο σε ανιδρασήρα εμβολικής ροής για ανίδραση ης ης άξης, σε συνάρηση με ον βαθμό μεαροπής ον αριθμό n Damköhler ( k ).

4 4 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ Με ις παραπάνω εξισώσεις υπολογίζουμε η συγκένρωση ον βαθμό μεαροπής ου ανιδρώνος σην έξοδο ων διαδοχικών ανιδρασήρων με ανάμιξη. Η εξίσ. (5.8) μπορεί επίσης να παρασαθεί γραφικά με διάφορους ρόπους, πάνα σε συνάρηση με ον αριθμό Damköhler (βλ. Σχήμαα 5. 5.). Παράδειγμα 5.. Ένα υγρό ρεύμα ανιδρώνος ( mol L - ) περνά μέσα από δύο αναδευόμενους ανιδρασήρες σε σειρά. Η συγκένρωση ου Α σην έξοδο ου πρώου ανιδρασήρα είναι 0.5 mol L -. Να βρεθεί η συγκένρωση σο ρεύμα εξόδου από ον δεύερο ανιδρασήρα, όαν η ανίδραση είναι ης άξης ως προς ο Α ο λόγος ων όγκων ων ανιδρασήρων είναι V /V 4. ΛΥΣΗ. Από ο πρώο δεδομένο προκύπει όι: 0.5 A ενώ από ην αναλογία όγκων έχουμε όι 4 από ην εξίσ. 5.5 προκύπει: ( + k )( + k ) ( + 4k )( + k ) ( + 4 )( + ) 5 A 0. δηλαδή: A mol L -._ Παράδειγμα 5.. Ένα υγρό υδρολύεαι σε αναδευόμενους ανιδρασήρες, συνδεδεμένους σε σειρά, όγκου ο καθένας L, με κινηική ης άξης (k 0.6 min - ). Αν η παροχή σον πρώο είναι 500 cm min -, προσδιορίσε ο συνολικό ποσοσό υδρόλυσης. ΛΥΣΗ. Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε ην εξίσ. 5.8: X A, όπου + V i Q min X A, 0.77 ή 77%

5 Κεφ. 5. Πολλαπλοί χημικοί ανιδρασήρες 5 Η εύρεση ου μεγέθους ων ανιδρασήρων, ή ου απαραίηου χωρο-χρόνου, μπορεί να γίνει γραφικά. Υπενθυμίζουμε όι η εξίσ. (5.) ανισοιχεί σο εμβαδόν ορθογωνίου παραλληλογράμμου, που ορίζεαι από ον βαθμό μεαροπής σην είσοδο (Χ εισ) σην έξοδο ου ανιδρασήρα (Χ εξ) ην αχύηα ης ανίδρασης επίσης σην έξοδο ου ανιδρασήρα (/(-r A,εξ)). Συνεπώς, σ ένα διάγραμμα {/(-r A)} ως προς Χ μπορούμε να σχεδιάσουμε όσα παραλληλόγραμμα όσοι είναι οι διαδοχικοί ανιδρασήρες με ανάμιξη (Σχήμα 5.4). ΣΧΗΜΑ 5.4. Γραφική εύρεση ων χωροχρόνων για διαδοχικούς ανιδρασήρες με ανάμιξη. Με ην ίδια λογική, η ανισροφή ης εξίσ. (5.) μας δίνει επίσης ( r ) A (5.9) X που σημαίνει όι σε διάγραμμα (-r Α) ως προς Χ, αν επιλέξουμε η μεαροπή ην αχύηα σην έξοδο ου ανιδρασήρα (Χ Α,-r A,), όε η κλίση ης γραμμής που συνδέει ο σημείο (Χ Α0,0) ο σημείο (Χ,-r A,) μας δίνει ον χωρο-χρόνο σον πρώο ανιδρασήρα (/ ), επαναλαμβάνονας η διαδικασία μπορούμε να βρούμε όλους ους χωρο-χρόνους με γραφικό ρόπο (Σχήμα 5.5). ΣΧΗΜΑ 5.5. Γραφικός προσδιορισμός ων χωρο-χρόνων σε διαδοχικούς ανιδρασήρες με ανάμιξη. 5.. Διαδοχικοί ανιδρασήρες εμβολικής ροής Εναλλακικά, μπορούμε να συνδέσουμε δυο ανιδρασήρες με εμβολική ροή, έσω όγκων V V, σε σειρά (Σχήμα 5.6). ΣΧΗΜΑ 5.6. Σύνδεση δυο ανιδρασήρων με εμβολική ροή σε σειρά. Από ην εξίσ. (4.8) έχουμε

6 6 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΧΗΜΙΚΩΝ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ 0 X εξ X εισ ην οποίαν εφαρμόζουμε για ους δυο ανιδρασήρες προκύπει X εξ, X εισ, X εξ, X εισ, (5.0α) (5.0β) Δεδομένου, όμως, όι Χ εισ, Χ εξ,, οι εξισ. (5.α) (5.β) μπορούν να προσεθούν δίνουν ον ολικό χωρο-χρόνο ( ολ): ολ + X εξ, X εισ, (5.) Η εξίσωση (5.) δείχνει όι σην περίπωση ανιδρασήρων με εμβολική ροή, ο συνδυασμός δυο ή περισσοέρων ανιδρασήρων ισοδυναμεί με η χρήση ενός ανιδρασήρα εμβολικής ροής, με όγκο ίσον προς ο άθροισμα ων επιμέρους όγκων. 5.. Βέλισος συνδυασμός ανιδρασήρων Ο συνδυασμός διαφορεικών ύπων ανιδρασήρων μπορεί να υπαγορεύεαι είε από θέμαα διαθεσιμόηας ανιδρασήρων, είε από ην κινηική ης ίδιας ης ανίδρασης. Για παράδειγμα, έσω μια ανίδραση, ης οποίας ο διάγραμμα αχύηας-μεαροπής φαίνεαι σο Σχήμα 5.7. Είναι προφανές όι ο ελάχισο εμβαδόν, που ανισοιχεί σον βέλισο συνδυασμό ανιδρασήρων, από άποψη χωρο-χρόνου για έναν επιθυμηό βαθμό μεαροπής, είναι να χρησιμοποιηθεί πρώα ένας ανιδρασήρας με ανάμιξη μέχρι ο ελάχισο ης καμπύλης (Χ ) ση συνέχεια ένας αυλωός ανιδρασήρας. Κάθε άλλος συνδυασμός θα προκαλέσει αύξηση ου απαιούμενου χωρο-χρόνου. ΣΧΗΜΑ 5.7. Συνδυασμός ανιδρασήρα εμβολικής ροής με ανάμιξη. Σημειώνεαι όι η θεωρηική ανάλυση λέει όι ειδικά για ανίδραση ης άξης σε υγρή φάση η

7 Κεφ. 5. Πολλαπλοί χημικοί ανιδρασήρες 7 σειρά ων ανιδρασήρων δεν έχει σημασία κι όι λαμβάνεαι πάνα ο ίδιο αποέλεσμα. Παράδειγμα 5.. Μια ανίδραση Α R, ης άξης, γίνεαι σην υγρή φάση με 50% μεαροπή σε αναδευόμενο ανιδρασήρα. Ποιά θα είναι η μεαροπή αν ο αρχικός ανιδρασήρας ανικαασαθεί από αυλωό ανιδρασήρα ιδίου όγκου με ον αρχικό? ΛΥΣΗ. Από ο δεύερο διάγραμμα ου Σχήμαος 5. (για κινηική ης άξης), σο σημείο ομής από ην καακόρυφη από ο σημείο -Χ Α,αναδ 0.5 ης διαγώνιας γραμμής (Ν, ένας αναδευόμενος ανιδρασήρας) προκύπει όι: Da. Αν ανικαασήσουμε ον αναδευόμενο με έναν αυλωό ανιδρασήρα ίσου όγκου διαηρήσουμε όλες ις άλλες παραμέρους (ροφοδοσία, θερμοκρασία κ.ά.) σαθερές, όε ο αριθμός Da θα παραμείνει αυός σαθερός. Η ομή ης πλάγιας γραμμής, που ανισοιχεί σο Da, με η γραμμή Ν (άξονας ων x), που ανισοιχεί σην εμβολική ροή, δίνει: -Χ Α 0.4, συνεπώς: Χ Α,αυλωός 0.66 ή μεαροπή περίπου 66%._

Σχετικά έγγραφα

Κεφάλαιο 4 Ιδανικοί χημικοί αντιδραστήρες

Κεφάλαιο 4 Ιδανικοί χημικοί ανιδρασήρες Με βάση α σοιχεία για ην κινηική και η σοιχειομερία ων ανιδράσεων, μπορούμε ώρα να προχωρήσουμε σην ανάλυση ορισμένων βασικών ύπων χημικών ανιδρασήρων. Η ανάλυση