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 t_A oraz t_B. 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

(M_A=134) (M_B=78,5) (M_C=176) (M_D=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 C_A i C_B 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 A_R[m³/(mol⋅s)],

• wydajność reaktora G[kg/s],

• temperatura reakcji t[°C],

• temperatury substratów t_A i t_B [°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 ρ_A = 960 kg/m³, ρ_B = 1050 kg/m³,

• ciepło właściwe substratów c_A = 2250 J/(kg⋅K), c_B = 2800 J/(kg⋅K),

• efekt cieplny reakcji ΔH=126 kJ/mol dow. substr.

• lepkość mieszaniny reakcyjnej η_m =0,3 Pas,