Justyna Iwińska

Izabela Kaźmierczak

Joanna Grzybek

Roman Jędrzejowski

Krzysztof Juszczyk

Szczecin 20.01.2003r.

REAKTORY CHEMICZNE

ĆWICZENIE 3

Półprzepływowy reaktor absorpcyjny

Celem ćwiczenia jest określenie stopnia absorpcji oraz szybkości procesu utleniania SO₂ w roztworze w zależności od temperatury, zawartości katalizatora w zawiesinie, stężenia katalizatora w roztworze przy różnych składach mieszaniny gazowej zasilający reaktor półprzepływowy.

Zasada działania reaktora półprzepływowego

Reaktorem półprzepływowym lub półokresowym nazwano reaktor zbiornikowy zaopatrzony w mieszadło i pracujący w warunkach niestacjonarnych. Należy podkreślić, że stan niestacjonarny jest charakterystyczny dla każdego reaktora zbiornikowego. W strumieniu wpływającym i wypływającym występują tylko pewne reagenty(nie wszystkie). Zazwyczaj występuje tylko jeden strumień, tzn., że albo któryś z substratów jest doprowadzany do reaktora, albo też któryś z produktów jest wyprowadzany z reaktora w sposób ciągły. W ten sposób można kontrolować stężenie mieszaniny reakcyjnej, a więc i szybkości reakcji, co w konsekwencji umożliwia prowadzenie reakcji w pożądanym kierunku i łatwą regulację wymiany ciepła. Te zalety usprawiedliwiają dosyć szerokie zastosowanie reaktorów pólprzepływowych w praktyce. Można wymienić trzy następujące grupy reakcji, dla których reaktor półprzepływowy jest szczególnie korzystny:

-reakcje odwracalne-gdy jeden z produktów może być łatwo odbierany. Wtedy na początku wprowadza się wszystkie substraty do reaktora i po zainicjowaniu reakcji wyprowadza w sposób ciągły określony produkt. W tym więc przypadku F_1m=0, a F_2m≠0. Tak np. w reakcji estryfikacji woda może być odprowadzona przez odparowanie podczas wrzenia mieszaniny. Korzyścią jest tu wzrost szybkości reakcji oraz osiągnięcia wyższego stopnia przemiany na skutek odprowadzenia jednego z produktów reakcji odwracalnej.

-reakcje złożone, -w których powstają produkty uboczne, np.

A+B→P

A+A →X

Gdzie P- produkt pożądany.

W tym przypadku do reaktora ładuje się całkowitą masę substratu B, natomiast substrat A dozuje się w sposób ciągły, tzn. że F_1m≠0, a F_2m=0. Utrzymuje się więc stężenie A na niskim poziomie, nie dopuszczając w ten sposób do wzrostu szybkości reakcji ubocznych. Przykładem może być otrzymywanie benzenu, gdzie chlor jest stopniowo dozowany do reaktora.

Reakcje silnie egzotermiczne(nawet zupełnie proste)- w przypadku, których przez stopniowe dozowanie substratu do reaktora można łatwo kontrolować temperaturę reakcji.

W przeważającej większości przypadków w reakcjach nadających się do prowadzenia metodą półprzepływową muszą brać udział, co najmniej dwa substraty. Również najczęściej występuje równocześnie strumień zasilający F_1m, a szczególnie wtedy, gdy F_1m=F_2m jest mało typowy dla reaktora półprzepływowego. Taki stan odpowiada praktycznie rozruchowi reaktora zbiornikowego.

W niniejszym ćwiczeniu należy dokonać oceny przebiegu procesu, który prowadzony jest w reaktorze półprzepływowym, pracującym w układzie absorpcyjnym. W układzie tym stosuje się cyrkulacje roztworu, ponieważ jednorazowe jego przejście przez absorber odbywa się w czasie zbyt krótkim dla uzyskania zadowalającej wydajności procesu. Krotność cyrkulacji zależy od szybkości procesu i wymiarów aparatury. Gaz przepływa w przeciwprądzie do cieczy, poprzez przegrodę perforowaną, powodującą dyspersję strumienia na drobne pęcherzyki. Podstawą tego procesu jest reakcja:

SO₂+1/2O₂+H₂O
H₂SO₄

Przebieg tej reakcji katalizują jony metali zmiennowartościowych z bloku 3d. Katalizator może być wprowadzony do roztworu absorpcyjnego w formie soli odpowiednich metali(np. soli Fe)lub do zawiesiny w formie tlenków np. FeO*TiO₂ . Powyższa reakcja umożliwia oczyszczenie gazów odlotowych, odpadowy SO₂ przeprowadzany jest w użyteczny produkt- kwas siarkowy. Bardzo charakterystyczną jaj cechą jest spadek szybkości postępujący ze wzrostem stężenia tworzącego się H₂SO₄.

W omawianym procesie przemiana chemiczna (utlenianie SO₂) jest jednym z etapów. Najpierw musi nastąpić absorpcja gazowych reagentów(SO₂ i O₂), której towarzyszą procesy wnikania masy i przenikania masy z gazowej do ciekłej. W literaturze bilans masy i energii oraz równania projektowe reaktora półprzepływowego formułowane są głównie dla reakcji biegnących w układzie homogenicznym. Stąd też formalnie nie mogą być ekstrapolowane do warunków pracy reaktora absorpcyjnego, w którym przebiega skomplikowany, omawiany wyżej proces. Dla oceny przebiegu procesu zaproponowano następujący sposób postępowania. Przyjmując jako składnik kluczowy w układzie reakcyjnym dwutlenek siarki(A)i oznaczając ilości moli na wlocie jako n^o_A =n^o_SO2 a na wylocie n_A=n_SO2, z różnicy n^o_A-n_A możemy obliczyć ilość moli przereagowanego SO₂.

Natomiast wyrażenie:

α_A

pozwoli na określenie względnej ilości moli przereagowanego substratu w stosunku do ilości wylotowej. Wielkość α_A nazywa się stopniem przemiany. Gdy przedstawimy ją jako ułamek jedności zawiera się ona w przedziale 0≤α_A≥1, a jeśli określamy ją procentowo to 0%≤α_A≥100%.

Powyższy wzór jest wzorem definicyjnym, określającym sens fizyczny stopnia przemiany. W praktyce dogodniej jest stosować stężenia składnika kluczowego na wlocie i wylocie z reaktora. Gdy możemy przyjąć, że objętość fazy gazowej jest stała w czasie przebiegu procesu stopień przemiany możemy obliczyć po określeniu stężeń objętościowych(%) na wlocie i wylocie:

α_A

Komentarza wymaga fakt, że przedstawiona wcześniej reakcja przebiega ze zmianą objętości. Należy jednak zauważyć, że zawartości SO2 w gazach odlotowych są na ogół rzędu ułamków procenta i przereagowanie tak niewielkich względnie ilości substancji wywołuje nieznaczną zmianę objętości fazy gazowej. Wartości stopnia absorpcji, wyznaczone dla różnych wartości analizowanego parametru, umożliwiają określenie odpowiadających im wartości szybkości procesu(r_A). Zależność na szybkość procesu można wyprowadzić na podstawie obliczeń bilansowych. Oznaczając przez V[
] objętościowe natężenie oraz przeliczając C^o_A na ułamek objętościowy X^o_A można obliczyćobjętośćSO₂ doprowadzanego do reaktora

V*X^o_A[
]

A mnożąc przez stopień absorpcji obliczyć objętość przereagowanego SO₂ :

V* X^o_A*α_A[
]

Po podzieleniu przez objętość molową SO₂ V_M=21,86[dm³/mol] uzyskamy ilość moli przereagowanego SO₂:

V* X^o_A*α_A*

Z kolei po podzieleniu przez objętość roztworu reakcyjnego V_r=0,1[dm³] uzyskamy ostatecznie szybkość procesu odniesioną do jednostki czasu i jednostki objętości reaktora:

r_A=

Nie mamy podanej wartości natężenia objętościowego V[
] więc przyjmijmy ze równa się ono V=50 [
] i wtedy dopiero możemy obliczyć szybkość reakcji dla podanego zakresu temperatur(od 20'C do 80'C -skok co 10'C).

α_A

Temperatura	Stężenie	Stężenie	Stopień
w reaktorze ['C]	w reaktorze(%)	początkowe(%)	przemiany[[mol/dm3*h]
20	0,0932	0,3	0,68933333
30	0,0348		0,884
40	0,0554		0,8153333
50	0,0634		0,788666
60	0,0805		0,731666
70	0,0876		0,708

Omówienie wykresu: proces absorpcji przebiega najlepiej(dla tej reakcji) w granicach temperatur od ok. 25⁰C do 35⁰C i ta reakcja, jeżeli już by zachodziła to powinna zachodzić w tych temperaturach.

4

---