Projekt Nr 1
Reaktor zbiornikowy przepływowy
Zaprojektować zbiornikowy reaktor przepływowy z mieszadłem łapowym do przeprowadzenia katalizowanej silnie egzotermicznej reakcji izobutylobenzenu z chlorkiem acetylu. Reaktor powinien umożliwiać uzyskanie 98% stopnia przereagowania substratów, które są doprowadzane do reaktora jako czyste substancje w ilościach stechiometrycznych. Ze względu na duży efekt cieplny reakcji i wymaganą powierzchnię wymiany ciepła, proponuje się reaktor z wydzielonym wymiennikiem. Płytowy wymiennik ciepła będzie tematem projektu nr 2.
Jednym z typów reaktorów przepływowych (obok reaktorów rurowych) są reaktory zbiornikowe. Mogą one być reaktorami periodycznymi pracującymi w warunkach nieustalonych lub reaktorami przepływowymi pracującymi w warunkach ustalonych. Reaktory przepływowe są z wielu powodów lepsze od reaktorów okresowych. W reaktorach okresowych jest konieczne stosowanie czynności pomocniczych (takich jak załadowanie reaktora, ogrzewanie, chłodzenie, wyładowanie, czyszczenie) powodujących konieczność obsługi reaktora czego brak jest w przypadku reaktorów przepływowych pracujących w warunkach ustalonych. Jeżeli w reaktorze przepływowym zastosuje się mieszadło, to można stworzyć warunki zbliżone do istniejących w układach idealnego wymieszania. Oznacza to, że w całej objętości takiego reaktora utrzymuje się niemal stałe stężenie reagentów i stałą ich temperaturę. Taki właśnie reaktor jest treścią projektu.
Należy zaprojektować bezciśnieniowy zbiornikowy reaktor przepływowy z mieszadłem do przeprowadzenia katalizowanej reakcji pomiędzy dwoma cieczami: izobutylobenzenu z chlorkiem acetylu. Reaktor powinien umożliwiać uzyskanie 98% stopnia przereagowania substratów. Są one doprowadzane do reaktora jako czyste substancje w ilościach stechiometrycznych o temperaturach odpowiednio tA oraz tB. Ze względu na duży efekt cieplny reakcji wydzielające się ciepło należy odebrać w zewnętrznym wydzielonym płytowym wymienniku ciepła (projekt nr2).
Projekt nr 1powinien zawierać obliczenia podstawowych wielkości reaktora (średnica i wysokość reaktora, dobór dna oraz pokrywy), obliczenia króćców, dobór parametrów geometrycznych mieszadła (dwa mieszadła łapowe umieszczone na wspólnym wale) wraz z obliczeniami mocy silnika do napędu mieszadła oraz średnicy wału i doboru łap wspornikowych. Projekt powinien zawierać również bilans cieplny reaktora wraz z obliczeniami ilości ciepła, która musi być odebrana w zewnętrznym wymienniku ciepła. Ostatnia z wartości jest jednocześnie podstawowa daną wyjściową do zaprojektowania wymiennika ciepła.
Projekt powinien zawierać rysunek złożeniowy zbiornika.
Oba projekty należy wykonać z wykorzystaniem dostępnych w laboratorium komputerowym arkuszy kalkulacyjnych, programów graficznych oraz edytorów tekstu. Projekty są oddawane w formie wydruku (obliczenia oraz rysunki) w formie ustalonej przez prowadzącego projekt.
Kinetyka reakcji
Zgodnie z założeniami przedstawionymi w części wstępnej projektu, należy wykonać obliczenia zbiornikowego reaktora przepływowego do produkcji G [kg/s] acetyloizobutylu fenylu zgodnie z poniższym równaniem stechiometrycznym reakcji. Reakcja ta stanowi jeden z etapów syntezy leku o nazwie Ibuprofen.
C6H5-CH2-CH-(CH2)2 + CH3-COCl → AIBF + HCl↑ (1)
A B C D
(MA=134) (MB=78,5) (MC=176) (MD=36,5)
Jest to reakcja drugorzędowa a jej szybkość opisuje równanie kinetyczne (2)
[mol/(m3⋅s)] (2)
Szybkością reakcji nazywamy liczbę moli substratów przereagowanych w jednostce czasu i jednostce objętości mieszaniny reakcyjnej. Zgodnie z definicją wartości r ma ona wymiar [kmol/(m3·s]. Szybkość reakcji zależy w tym przypadku od stężeń substratów CA i CB w pierwszych potęgach (chociaż nie zawsze).
Stałą szybkości reakcji k można obliczyć z równania Arrheniusa (3)
[m3/(mol⋅s)] (3)
Energia aktywacji E [J/mol] jest barierą energetyczną, która układ reagujący musi pokonać aby zaszła reakcja chemiczna (reakcja biegnie zawsze przez etapy pośrednie).
Im mniejsza wartość E i wyższa temperatura, tym większa wartość stałej szybkości reakcji k i większa szybkość reakcji r.
Obliczenia przeprowadzić dla następujących indywidualnych danych (skrypt):
stała AR[m3/(mol⋅s)],
wydajność reaktora G[kg/s],
temperatura reakcji t[°C],
temperatury substratów tA i tB [°C]
sprawność mechaniczną napędu η = 0,85.
Dane ogólne:
energię aktywacji E=4,1⋅104J/mol,
stałą gazową R = 8,31 J/(mol⋅K),
gęstość substratów ρA = 960 kg/m3, ρB = 1050 kg/m3,
ciepło właściwe substratów cA = 2250 J/(kg⋅K), cB = 2800 J/(kg⋅K),
efekt cieplny reakcji ΔH=126 kJ/mol dow. substr.
lepkość mieszaniny reakcyjnej ηm =0,3 Pas,