ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Transcript

1 ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΕΙΣΑΓΩΓΗ TM150 Διαχείριση περιβάλλοντος

2 Θεωρούμε ως χημικό αντιδραστήρα κάθε συσκευή όπου συμβαίνει μια αντίδραση (χημική ή βιοχημική). Η χημική ή βιοχημική αντίδραση Σχεδιασμός χημικού αντιδραστήρα = Μετατροπή πρώτων υλών σε επιθυμητά προϊόντα ή επεξεργασία ρύπων Κόστος εγκατάστασης και λειτουργίας Ασφάλεια Ρύπανση Περιβάλλοντος 2

3 Παραδείγματα αντιδραστήρων από την καθημερινότητα: Καταλύτης αυτοκινήτων Κινητήρας εσωτερικής καύσης Χύτρα ταχύτητας Δεξαμενή αερισμού βιολογικού καθαρισμού 3

4 Για το σχεδιασμό ενός αντιδραστήρα πρέπει να ξέρουμε: Το τύπο και το μέγεθος του αντιδραστήρα που χρειαζόμαστε για να επιτευχθεί η επιθυμητή έκταση μιας αντίδρασης (αναλύεται αργότερα) Τις συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα (θερμοκρασία, πίεση). Την παροχή των ρευστών για την κατάλληλη εναλλαγή ενέργειας (συνήθως θερμότητας) με το περιβάλλον. Ανάλυση κόστους, ώστε ο σχεδιασμός να είναι ο πλέον επικερδής. 4

5 Υπάρχουν διάφοροι τύποι αντιδραστήρων βάσει του διαφορετικού τρόπου λειτουργίας τους. Τρία βασικά είδη είναι: Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Batch Reactors) Αντιδραστήρες πλήρους ανάμιξης (Continuous Stirred Tank Reactors - CSTR) Αντιδραστήρες Εμβολικής ροής (Plug Flow Reactors - PFR) 5

6 «Διαλείποντος έργου» = η λειτουργία τους δεν είναι συνεχής. Χρησιμοποιούνται για αντιδράσεις που τελούνται σε υγρή φάση και την παραγωγή μικρών ποσοτήτων ειδικών προϊόντων (φάρμακα, πολυμερή, κλπ). Χαρακτηρίζονται από υψηλό κόστος λειτουργίας Κύκλος λειτουργίας αντιδραστήρα: Φόρτωση του αντιδραστήρα με τα αντιδρώντα υλικά Τέλεση της χημικής αντίδρασης *** Τυπικό σχήμα Καθαρισμός και προετοιμασία του αντιδραστήρα Απομάκρυνση των προϊόντων της αντίδρασης *** Κατά την τέλεση της αντίδρασης το μίγμα αναδεύεται συνεχώς ώστε η συγκέντρωσή των αντιδρώντων και η θερμοκρασία να είναι ανεξάρτητες της θέσης στον αντιδραστήρα 6

7 Η εισροή μάζας στον αντιδραστήρα είναι σταθερή και ίση με την εκροή μάζας από αυτόν. Κατάλληλο για τη διεξαγωγή χημικών αντιδράσεων που λαμβάνουν χώρα σε υγρή φάση. Κατά την τέλεση της αντίδρασης το μίγμα αναδεύεται συνεχώς ώστε η συγκέντρωσή των αντιδρώντων και η θερμοκρασία να είναι ανεξάρτητες της θέσης στον αντιδραστήρα Η θερμοκρασία και οι συγκεντρώσεις όλων των συστατικών στην έξοδο του αντιδραστήρα είναι ίδιες με εκείνες που επικρατούν μέσα στον αντιδραστήρα. Τυπικό σχήμα 7

8 Η εισροή μάζας στον αντιδραστήρα είναι σταθερή και ίση με την εκροή μάζας από αυτόν. Οι συγκεντρώσεις των αντιδραστηρίων και η θερμοκρασία μεταβάλλονται κατά την αξονική κατεύθυνσή, αλλά είναι ανεξάρτητες της ακτινικής τους θέσης στον αντιδραστήρα. Τυπικό σχήμα 8

9 BATCH CSTR PFR ΣΧΗΜΑ Κυλινδρικό δοχείο (L~D) Κυλινδρικό δοχείο (L~D) Αυλοί (σωλήνες) σε σειρά ή παράλληλα (L>>D) ΑΝΑΜΙΞΗ Πλήρης Πλήρης Καθόλου ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Χαμηλό κόστος κατασκευής Κατάλληλος για μικρές παραγωγές Υψηλοί ρυθμοί λειτουργίας ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Υψηλό κόστος λειτουργίας Δύσκολος έλεγχος ποιότητας κατά τη λειτουργία Χαμηλό κόστος λειτουργίας Κάλος έλεγχος ποιότητας κατά τη λειτουργία Υψηλό κόστος κατασκευής Χαμηλοί ρυθμοί λειτουργίας Υψηλοί ρυθμοί λειτουργίας Χαμηλό κόστος λειτουργίας Κάλος έλεγχος ποιότητας κατά τη λειτουργία Υψηλό κόστος κατασκευής Δυσκολία τοπικού ελέγχου συνθηκών Δυσκολία καθαρισμού 9

10 Καταλύτης αυτοκινήτων? Κινητήρας εσωτερικής καύσης? Χύτρα ταχύτητας? Δεξαμενή αερισμού βιολογικού καθαρισμού? 10

11 F ιn Όγκος ελέγχου, V F out ό ό ό ό ό ό dn j Fj0 Fj G j dt mole mole mole mole t t t t 11

12 Διαλείποντος έργου πλήρους ανάμιξης: Τα αντιδρώντα εισέρχονται στον αντιδραστήρα, σφραγίζεται, πραγματοποιείται η αντίδραση, έπειτα ξεσφραγίζεται για να αδειάσει και να καθαριστεί. Ο χρόνος που χρειάζεται για να μειωθεί ποσότητα του Α από N A0 σε N A είναι: t N N A A0 dn r A A V 12

13 Στον CSTR υπάρχει συνεχής τροφοδοσία αντιδρώντων και συνεχής έξοδος προϊόντων. Εντός του αντιδραστήρα υπάρχει πλήρης ανάμιξη. Έτσι, η συγκέντρωση Α σε οποιοδήποτε σημείο εντός του αντιδραστήρα ισούται με την συγκέντρωση εξόδου. Ο όγκος αντιδραστήρα που απαιτείται για επίτευξη βαθμού μετατροπής Χ, είναι: QC0 X r A Όπου: Q η παροχή εισόδου C A0 είναι η συγκέντρωση του Α στην είσοδο Χ ο βαθμός μετατροπής του Α V 13

14 Σε αυτόν τον αντιδραστήρα δεν υπάρχει ανάμιξη στην διεύθυνση της ροής, θεωρείται όμως πλήρης η ανάμιξη στην διεύθυνση κάθετα σε αυτήν. Ο όγκος αντιδραστήρα που απαιτείται για να μειωθεί ποσότητα του Α στην παροχή από F A0 σε F A είναι: V F F A A0 df r A A 14