AKADEMIA GÓRNICZO - HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
WYDZIAA

ENERGETYKI I PALIW
I n ż y n i e r i a r e a k t o r ó w
c h e m i c z n y c h
P r o j e k t
Przygotowały:
Katarzyna Niemczyk
Magdalena Papka
Kraków, rok 2015
Część I
Temat teoretyczny:
Rozwiązania konstrukcyjne wymiany ciepła w
reaktorach rurowych
Najprostszym reaktorem rurowym jest rura otoczona płaszczem, tzw.  rura w rurze .
Jeżeli rurki umieszone są w płaszczu to taki typ reaktora można nazwać płaszczowo 
rurowym. Reakcja w takim aparacie może biec w rurkach lub w przestrzeni międzyrurowej.
Reaktor stanowić mogą rury o średnicy od 1 cm do kilku metrów, w rożnych konfiguracjach i
długościach. Specyfika kształtu niektórych reaktorów rurowych wynika z wysokich
temperatur procesu, krótkiego czasu przebywania w reaktorze, wysokiego lub niskiego
ciśnienia. Strefa reakcji może posiadać wypełnienie stałe, ułatwiające mieszanie się faz i
zwiększenie burzliwości ruchu lub działanie katalitycznie. Może mieć on kształt pastylek bądz

grudek kontaktu. Katalizator może być również bezpośrednio osadzony na ściankach
aparatu. [1] Zewnętrzne rury wymienników ciepła typu  rura w rurze pokrywa się warstwą
izolacyjną w celu zmniejszenia strat do otoczenia. Gęstość strumienia cieplnego ze wzrostem
promienia ścianki ulega rozproszeniu ze względu na przyrost powierzchni. W pewnych
warunkach może dojść do tego, że warstwa izolacyjna zwiększając powierzchnię wymiany
ciepła z otoczeniem zacznie spełniać rolę chłodnicy. Skuteczność warstwy izolacyjnej
nakładanej na powierzchnie walcowe zależna więc będzie od współczynnika wnikania ciepła
od rury do izolacji, współczynnika przewodzenia ciepła izolacji i od średnicy tej warstwy.[4]
Zwykle reaktory rurowe stosowane są do prowadzenia reakcji w fazie gazowej,
niekiedy ciekłej i w układzie gaz-ciecz. Modelem przepływu w tych reaktorach jest przepływ
tłokowy, charakteryzujący się brakiem mieszania w przekroju promieniowym. Początkowe
wymieszanie reagentów wykonuje się w dyszach lub mieszalnikach. W trakcie przepływu
reagentów przez aparat przebiega reakcja i następuje wzrost stężenia i temperatury w
kierunku osiowym. Do przenoszenia ciepła w reaktorze tego typu stosuje się np. wodę, parę,
stopione sole, itp. Bardzo często w celu wykorzystania ciepła stosuje się w tych reaktorach
wstępne podgrzewanie substratów ciepłem produktów. Często w procesach
wysokotemperaturowych rurki umieszcza się w piecu, w którym są ogrzewane gazami
spalinowymi przez konwekcję i promieniowanie. Piec składa się z komory spalania wyłożonej
materiałem ogniotrwałym i z rur umieszczonych na ścianach, stropie, a czasem i na dnie
komory. Rury w strefie konwekcji zwykle służą do podgrzewania substratów reakcji, albo do
utrzymania temperatury reakcji osiągniętej w strefie promieniowania lub wreszcie mogą być
wykorzystane do regeneracji ciepła gazów spalinowych przez podgrzanie powietrza
płynącego do komory spalania lub do wytworzenia pary.[1]
Reaktory rurowe mają szerokie zastosowania w przemyśle i w odróżnieniu od innych typów
reaktorów są w zdolne do osiągania największej wielkości produkcji w czasie. Reaktory
rurowe mogą być używane zarówno do reakcji homogenicznych jak i heterogenicznych.
Reaktory homogeniczne mają tylko jedną fazę natomiast reaktory heterogeniczne mają ich
znacznie więcej. Typowa temperatura w reaktorach rurowych została przedstawiona na
Rys.1. Temperatura gwałtownie zmienia się w początkowej fazie pracy reaktora. [2] Do
reaktorów homogenicznych, w których reakcje przebiegają w jednej fazie gazowej należą
wszelkiego rodzaju palniki konwencjonalne i plazmowe służące m.in. do współspalania
metanu, produkowania acetylenu z metanu i otrzymywania kwasu cyjanowodorowego. Do
reaktorów homogenicznych, w których reakcje przebiegają w fazie ciekłej są zaliczane kadzie
i autoklawy, w których zachodzą mi.in reakcje zmydlania, ekstrakcji itp. W reaktorach
heterogenicznych mogą reagować między sobą gaz i ciało stałe, gaz i ciecz oraz ciało stałe i
ciecz. [3]
Egzotermiczny reaktor Endotermiczny reaktor
Rys.1. Profile temperaturowe w reaktorach egzotermicznych i endotermicznych.
Część II
Zadanie projektowe
Treść:
Reakcje odwracalne: 5�h� + 5�i� �! 5��� 5�w�
5�Ś�5���,5�Ś�5���
5�Ś�5؎�5ؐ�5�ć�
CA0 = 5���, 5���5�� ;
5؎�5�Ń�
CB0 = 0,8 5�Ś�5؎�5ؐ�5�ć� ;
5؎�5�Ń�
5؎�5�Ń�
k1 = 0,000045 5؎�5ؐ�5�ć� "5�"� ;
5؎�5�Ń�
k2 = 0,00001362 5؎�5ؐ�5�ć�"5�"� ;
GP = 200 5�Ś�5؈� ;
5؉�
5�Ś�5؈�
Mp = 135 5�Ś�5؎�5ؐ�5�ć� ;
tj = 180 s
1. Obliczenie równowagowego stopnia przemiany
Równowagowy stopień przemiany został obliczony ze wzoru:
5�X�1
""5�R�= = 0,7677
5�X�1+5�X�2
Wyniki zostały zamieszczone w tabeli 1.
2. Obliczenie objętości reaktora okresowego oraz pojedynczego reaktora przepływowego
od "5�N� ("5�N�= 0,01 - "").
5�R�
Aby obliczyć objętość reaktora musimy obliczyć:
5�Q�5�6�5�4� 5�Q�5�6�5�5�
2
- szybkość reakcji 5�_�5�N� = - = - = 5�X�15�6�5�4�5�6�5�5� - 5�X�15�6�5�C�
5�Q�5�a� 5�Q�5�a�
5�Q�5�6�5�C� 2
5�_�5�C� = - = 5�X�25�6�5�C� - 5�X�15�6�5�4�5�6�5�5�
5�Q�5�a�
- stężenia 5�6�5�4� = 5�6�5�4�0(1 -"5�4�)
 5�6�5�5� = 5�6�5�5�0 - (5�6�5�4�0 ""5�4�)
5�6�5�C� = 5�6�5�C�0 + 25�6�5�4�0 ""5�4�= 25�6�5�4�0 ""5�4�
- reaktor okresowy
5�_�5�4� = 5�P�5�\�5�[�5�`�5�a�
5�j�5�w�"(5ؕ�5ؙ�+5ؕ�5؋�)
5�}� =
5�j�5�w�5ؙ�"5�t�5�ę�
5�Q�5�6�5�4�
= -5�_�5�4�
5�Q�5�a�
"5�e� 5�Q�5�6�5�4� 5�a�5�e�
+"0 - = 5�Q�5�a�
+"0
5�_�5�4�5�e�
1 "5�e�
- +"0
5�Q�5�6�5�4� = 5�a�5�e�
5�_�5�4�5�e�
1
5�a�5�e� = (5�6�5�4�0 - 5�6�5�4�5�e�)  zależy od " dlatego liczymy 5�a�(") zamiast " (5�a�)
5�_�5�4�5�e�
- reaktor przepływowy
( )
0 = 5�I� " 5�6�5�4�0 - 5�6�5�4�5�K� - 5�_�5�4�5�K� " 5�I�
( )
5�I� " 5�6�5�4�0-5�6�5�4�5�K�
5�I� =
5�_�5�4�5�K�
Wyniki zostały zamieszczone w tabeli 1.
3. Obliczenie objętości reaktora okresowego, pojedynczego reaktora przepływowego dla
"5�4�= 0,5 """ w zależności od wielkości produkcji 5�:�5�C�1 = 5�:�5�C� - 200%5�:�5�C� (wzrost 5�:�5�C� o 10%
5�R�
- dla 10 pkt)
Objętość reaktora okresowego i przepływowego była obliczona jak w punkcie 2 z tą
różnicą, że w kolejnych obliczeniach zmieniono wartość wielkości produkcji. Wyniki
zawarte są w tabeli 2.
5�X�5�T�
4. Dla "5�4�= 0,5 """, 5�:�5�C� = 200 porównać wielkość reaktora okresowego, przepływowego
5�R�
!
i kaskady dwóch reaktorów przepływowych o równej objętości.
5�I�
( )
0 = 5�I� " 5�6�5�4�0 - 5�6�5�4�1 - 5�_�5�4�1 "
2
{
5�I�
( )
0 = 5�I� " 5�6�5�4�1 - 5�6�5�4�5�K� - 5�_�5�N�5�e� "
2
5�6�5�4�1 = 5�6�5�4�0(1-")
2
5�_�5�4�1 = 5�X�15�6�5�4�15�6�5�5�1 - 5�X�25�6�5�C�1
2 2
( )( )
5�_�5�4�1 = 5�X�15�6�5�4�0 1 - 5���1 5�6�5�5�0 - 5�6�5�4�05���1 - 4 " 5�X�25�6�5�4�0 5���1
5�I�
2 2
( )( )
0 = 5�^�(5�6�5�4�0 - ((5�6�5�4�01 - 5���1)) - (5�X�15�6�5�4�0 1 - 5���1 5�6�5�5�0 - 5�6�5�4�05���1 - 4 " 5�X�25�6�5�4�0 5���1)
2
{
5�I�
( ( ) )
0 = 5�^� 5�6�5�4�0 1 - 5���1 - 5�6�5�4�5�K� - 5�_�5�N�5�e� "
2
( ( )-5�6�5�4�5�K�
5�I� 5�^� 5�6�5�4�0 1-5���1 )
= - wyliczone z równania drugiego
2 5�_�5�N�5�e�
0 = 5�^�(5�6�5�4�0 - ((5�6�5�4�01 - 5���1))
( ( ) )
5�^� 5�6�5�4�0 1 - 5���1 - 5�6�5�4�5�K�
2 2
[ ( - 5���1 5�6�5�5�0 - 5�6�5�4�05���1 - 4 " 5�X�25�6�5�4�0 5���1]
- 5�X�15�6�5�4�0 1 )( )
5�_�5�N�5�e�
( ( - 5���1 - 5�6�5�4�5�K�
5�6�5�4�0 1 ) )
2
0 = 5���1 - ( )( )
5�X�1 1 - 5���1 5�6�5�5�0 - 5�6�5�4�05���1 - 4 " 5�X�25�6�5�4�0 5���1
5�_�5�N�5�e�
5���1 - 5�g�5�[�5�N�5�Y�5�R�5�g�5�V�5�\�5�[�5�N� 5�g� 5�F�5�\�5�Y�5�c�5�R�5�_�5�N� = 0,2264
( )-5�6�5�4�5�K�
2"5�I� (5�6�5�4�0 1-5���1
5�I� =  wyliczone z pierwszego równania
5�_�5�N�5�e�
Wyniki dla poszczególnych reaktorów zamieszczone zostały w Tabeli 2.
Wnioski
Objętość reaktora okresowego i przepływowego jest zależna od stopnia przemiany i maleje
ona wraz ze wzrostem stopnia przemiany. Szybkość reakcji jest uzależniona od zmiany
poszczególnych stężeń i maleje wraz ze spadkiem stężenia CA i CB a co jest z tym związane
przy wzroście CP.
Na podstawie załączonego do projektu wykresu można stwierdzić, że wielkość produkcji w
reaktorach rośnie wraz ze wzrostem objętości reaktora. Największy wzrost można
zaobserwować w reaktorze okresowym. Aby uzyskać wielkość produkcji 200 kg/h objętość
reaktora powinna wynosić 0,43 m3. Jeżeli chcemy zwiększyć wielkość produkcji do 400 kg/h
należy zwiększyć objętość reaktora do 0,86 m3.
W przypadku reaktora przepływowego nie potrzebny jest znaczny przyrost objętości aby
zwiększyć wielkość produkcji. Przykładowo przy wielkości produkcji wynoszącej 200 kg/h
objętość reaktora przepływowego wynosi 0,0469 m3 a przy wielkości 400 kg/h objętość ta
wynosi 0,0939 m3.
Biorąc pod uwagę kaskadę reaktorów można wysnuć podobny wniosek jak w przypadku
reaktora przepływowego z tym, że objętość reaktora przy wielkości produkcji 200 kg/h
wynosi 0,0386 m3 a przy wielkości produkcji 400 kg/h wzrasta ona do wielkości 0,0771 m3.
Podsumowując można stwierdzić, że wydajniejsze są reaktory przepływowe i kaskady
ponieważ ich objętość nieznacznie wpływa na wielkość produkcji co ma miejsce w przypadku
reaktora okresowego.
Porównując reaktor przepływowy oraz kaskadę reaktorów, można stwierdzić, że kaskada
reaktorów jest wydajniejsza, jednak różnica jest nieznaczna i dla naszych danych wynosi
0,009 m3.
Bibliografia:
[1] J. Hehlmann, H. Merta, M. Jotkowski, ,,Aparatura procesów chemicznych,
biochemicznych i ochrony środowiska , UE, Warszawa 2011
[2] Helena Olsson, ,,Advanced proces Integration Aspects of Tubular Reactors , Goteborg,
Sweden, 2013
[3] http://bcpw.bg.pw.edu.pl/Content/144/sgpp_III1.pdf (data odczytu: 07.06.2015)
[4] http://www.amrozinski.utp.edu.pl/teksty/wymiennik%20rura%20w%20rurze.pdf (data
odczytu: 08.06.2015)