IZBOR I PROJEKTOVANJE REAKTORA

Izbor reaktoraInenjerski pristup ukljuuje konkretno rjeenje pojedinanog problema koji se namee u praksi.

Reaktor treba posmatrati kao dio proizvodnog procesa (procesna jedinica u tehnolokom procesu).Treba optimalno dimenzionisati, kako reaktor tako i ostale procesne jedinice.Ne postoje odreena i opte prihvaena pravila prema kojima bi se nedvosmisleno moglo odluivati o izboru tipa reaktora (reakcijski sistemi su vrlo razliiti, npr. sinteza amonijaka).

Izbor reaktoraNakon izbora reaktora slijedi njegovo dimenzionisanje - potrebno je poznavati cijeli niz reakcijskih i reaktorskih parametara.Izbor reaktora uslovljen je mnogim faktorima od kojih je veliki broj nepoznat ili se tek mora odrediti.Postupak izbora izmeu vie moguih alternativa i konana odluka uopte nije lak zadatak. Npr. izbor reaktora moe biti uslovljen kapacitetom proizvodnje, cijenom sirovina, ekolokim zahtjevima, investicijskim trokovima; a taj izbor s tehnolokog stanovita ne mora biti optimalan.

Karakteristike reakcijskog sistemaHemizam reakcijeHemizam reakcije ukljuuje poznavanje najoptijih informacija o reakciji, reaktantima i produktima.

Dobro je znati mehanizam reakcije te osnovne uslove pod kojima se reakcija uopte moe odigravati.Termodinamika reakcijeTermodinamiki podaci o reakciji su bitni podaci na temelju kojih se osniva konkretni izbor (npr. entalpija reakcije, konstanta ravnotee, ravnotena konverzija i njihova zavisnost od T i p, itd.).

Veina tih podataka pristupana je i bez eksperimentalnog rada, a nalazi se u raznim prirunicima, monografijama ili asopisima.

Karakteristike reakcijskog sistemaPodaci o kinetici reakcijeZa dimenzionisanje reaktora, kinetiki podaci su neophodni.

Potrebno je poznavati kinetiki model i brojane vrijednosti konstanti koje se u njemu nalaze.

Potrebno je takoe nai zavisnosti brzine reakcije od temperature, odnosno vrijednosti energije aktivacije i Arrheniusove konstante.

Uglavnom treba eksperimentalno provjeriti kako kinetiki model tako i brojane vrijednosti konstanti.

Karakteristike reakcijskog sistemaPodaci o fizikim svojstvima uesnikaUopteno, potreban je velik broj brojanih vrijednosti fizikih veliina za proraun razliitih stanja reakcijskog sistema, npr., viskoznost, fugacitet, toplotni kapaciteti, gustina, itd.

Podaci o osobinama fluida i sistema (razni bezdimenzioni kriterijumi, kao to su Re, Nu, Pe, Ar, itd. )

Razliiti koeficijenti prijenosa mase i toplote, npr. koeficijenti prijenosa mase i difuzije, koeficijenti toplotne provodljivosti i prijenosa toplote, karakteristike usporenja itd.

Karakteristike reakcijskog sistemaPodaci o katalizatorimaDefinisanje izabranog katalizatora, koji je obino vrst.

Poznavanje hemijskih i fizikih osobina, npr. gustina katalizatora, poroznost, raspodjela veliine pora, aktivna povrina, selektivnost, sastav, mehanike karakteristike, itd. Karakteristike procesaReaktor mora biti u skladu sa ostalim procesnim jedinicama (razmatranje slijeda operacija prije i poslije reaktora)

Nain proizvodnje: diskontinualan (arni) ili kontinualan rad

Bitni parametar je kapacitet proizvodnje

Separacija produkata ili priprema reaktanata

Brzina reakcije i radni uslovi

Potrebno je izabrati optimalne radne uslove unutar dozvoljenog podruja procesnih varijabli s obzirom na to veu brzinu reakcije (i druge veliine: npr. iskoritenje, selektivnost)

Osnovni radni uslovi su:temperatura, pritisak te koncentracija

Via temperatura uopteno ubrzava reakcije, a potrebna je posebno kod endotermnih povratnih reakcija, kao i za sve nepovratne reakcije.

Maksimalno dozvoljene temperature odreene su drugim limitirajuim faktorima (npr. cijenom postrojenja, sigurnou rada i sl.)

Maksimalno mogue brzine reakcije odreuju se rjeavanjem odgovarajuih bilansi za koliinu materije i toplote.

Brzina reakcije i radni uslovi

Pritisak je znaajan za reakcije u gasovitim sistemima (ravnotene reakcije).

Uopteno su vii pritisci poeljni, jer ubrzavaju reakciju.

Ekonomski i drugi kriterijumi uslovljavaju maksimalne pritiske (obino < 1000 bar).Obino se nastoji raditi pri to niim pritiscima.

Brzina reakcije i radni uslovi

Visoke koncentracije reaktanata u tenim sistemima uopteno ubrzavaju reakciju.

Suviak jednog od reaktanata pogoduje poveanju brzine kod povratnih reakcija.

Kod nepovratnih reakcija stehiometrijski odnosi reaktanata su optimalni.

Uklanjanje produkata iz reakcijske smjese kod povratnih reakcija pogoduje postizavanju viih konverzija koje su blizu ravnotenih.

Poreenje osnovnih tipova reaktora

arni i cijevni reaktor zahtijevaju iste zapremine za iste konane, odnosno izlazne konverzije, uz identine uslove reakcije.

to je posledica sutine rada tih reaktora

Uz iste uslove i istu zapreminu konverzija u PRIM reaktoru uvijek je manja od konverzije u arnom, odnosno cijevnom reaktoru: Objanjenje: reakcija u R i CR odigrava se uz najvei mogui koncentracijski gradijent, dok je u PRIM-u koncentracijski gradijent uvijek neka srednja vrijednost (kao posljedica mijeanja reakcijske smjese)

Poreenje PRIM reaktora s cijevnim na osnovu njihovih zapreminanpr., za reakciju

uz n 1 odnos prostornih vremena, (odnosno zapremina) je

ili za n = 1 Poveanje zapremine PRIM-a u poreenju sa CR za postizanje istih konverzija dobija se iz odnosa odgovarajuih bilanasa

Poreenje zapremine PRIM i cijevnog reaktora za iste uslove rada PRIM reaktor ima uvijek veu zapreminu od cijevnog reaktora za reakcije kod kojih je red reakcije vei od nule. Za reakcije nultog reda veliina reaktora nezavisna je od vrste reaktora.

Kod malih izlaznih konverzija, razlike izmeu potrebnih zapremina PRIM i cijevnog reaktora su takoe malene, a znatno se poveavaju za velike konverzije.

Promjena gustine takoe utie na odnos zapremina PRIM i cijevnog reaktora. to je ekspanzija vea, taj je odnos vei.Grafiko poreenje zapremina PRIM i CR za iste uslove rada

Sisteme iz vie reaktora pitanje dimenzionisanja

N u nizu ili paralelno povezanih cijevnih reaktora postie istu konverziju kao jedan cijevni reaktor iste ukupne zapremine (povezivanje reaktora ima smisla za protone reaktore, tj. za PRIM i/ili CR!)

Prema tome, ako je povezano N cijevnih reaktora u seriju, vrijedi

gdje je - zapremina jednog reaktora

Sistemi iz vie reaktoraBaterijom se naziva vie paralelno povezanih PRIM reaktora.

Konverzija u N jednakih PRIM reaktora identina je konverziji u jednom PRIM reaktoru iste ukupne zapremine. Baterija PRIM-a se koristi kako zapremina iz konstruktivnih razloga ne bi bila prevelika.

Kaskadom reaktora naziva se niz PRIM reaktora vezanih u seriju (niz).

to je vei broj reaktora u kaskadi to se cijeli sistem pribliuje po nainu rada cijevnom reaktoru iste ukupne zapremine.

Sistemi iz vie reaktoraKoncentracija na izlazu iz N u nizu vezanih PRIM reaktora u poreenju s koncentracijom u CR Primjer reakcije prvog reda:

Sistemi iz vie reaktoraProstorno vrijeme, , identino je za sve reaktore, a ukupno vrijeme jednako je Ni ,

ili

- Kada N , rjeenje bilansa mase za reakciju prvog reda u CR

Sistemi iz vie reaktoraAko PRIM reaktori u kaskadi nisu svi iste zapremine, konane izlazne konverzije nalaze se rjeavanjem svakog pojedinanog reaktora, a moe se koristiti i grafika procedura po Jonesu (1951)

Takoe su poznate i kombinacije cijevnih i PRIM reaktora razliito meusobno vezanih koje mogu biti optimalno rjeenje (npr. kod polimerizacijskih reakcija).

Izbor reaktora i toplotni uinci

Veliki se broj hemijskih procesa u industriji vodi pri povienim temperaturama (do 2000 C).

Via temperatura ubrzava reakcije i moe pomerati ravnoteu u eljenom smjeru kod povratnih reakcija.

uvijek su prisutni problemi prijenosa toplote (vezani s toplotnim efektima reakcije)

nalaenje optimalne radne temperature

Nain prijenosa toplote u ili iz reaktora uslovljen je radnom temperaturom i reakcijskom entalpijom, to ima neposredan uticaj i na izbor reaktora!

Najjednostavnije - adijabatski rad reaktora, nema problema s prijenosom toplote i manji investicijski i proizvodni trokovi - zagrijavanjem ili hlaenjem reakcijske smjese izmjenom toplote ulaznih ili izlaznih struja iz reaktora, najee predgrijavanjem ili hlaenjem.

S obzirom na iznose reakcijske entalpije i energije aktivacije, mogu se reakcije priblino svrstati u tri grupe:

a) Reakcije koje nisu osjetljive na promjenu temperature, s malom reakcijskom entalpijom i malom energijom aktivacije (npr. razne org. sinteze, posebno u rastvarau, reakcije u biolokim sistemima i dr.). Adijabatski nain rada je najbolje rjeenje, uz predgrijavanje ulazne smjese ako je potrebno.

b) Reakcije koje su umjereno osjetljive na promjenu temperature, prosjene vrijednosti reakcijskih entalpija i energija aktivacije (jedna od alternativa- adijabatski nain rada).

c) Reakcije koje su vrlo osjetljive na promjenu temperature, veliki iznosi reakcijskih entalpija i energija aktivacije. potrebno je kontinualno odvoenje ili dovoenje toplote tokom same reakcije (npr. reaktori za sintezu amonijaka).

Vrlo brze reakcije, koje su i egzotermne (npr. gorenja, oksidacije ugljovodonika), vode se adijabatski jer je to jedina mogunost.

Izotermni nain rada je uvijek poeljan zbog veih konanih konverzija i iskoritenja, a to je najlake postii kod PRIM-a

Izotermnost po prostoru postie se bilo adijabatski bilo kroz prijenos toplote (odvoenjem toplote).

Egzotermne reakcije su este u industrijskoj praksi, ali i potencijalno opasne eksponencijalni porast temperature uz istovremeno linearno poveanje odvoenja toplote kroz zid - potrebno je posvetiti vie panje izboru reaktora

Izbor: PRIM i arni reaktor (mijeanje uklanja nastale razlike u temperaturi; prijenos kroz zid ili kroz zmijau) te kombinacije PRIM i cijevnog reaktora u seriji (bri dio reakcije u PRIM, a zavretak u CR).

Kod cijevnih reaktora problem prijenosa toplote moe se rijeiti i izmjenom toplote izmeu pojedinih sekcija (spoljni izmjenjiva toplote).

PRIM koristi se za izvoenje vrlo brzih egzotermnih reakcija (npr. hloriranje ili oksidacija)- bitni dijelovi su pomoni ureaji: diskovi, rasprivai ili mlaznice

Jedno od rjeenja je i razreenje reakcijske smjese inertom ime se usporava reakcija, a time i brzina izdvajanja toplote; isto se postie razrjeenjem katalizatora inertnim materijalom.

Toplotu osloboenu reakcijom povoljno je uvijek iskoristiti za zagrejavanje ulazne smjese reaktanata.

Izborom PRIM reaktora to se ostvaruje bez ikakvih posebnih razmenjivaa toplote. Cijevni reaktori, koji se ee koriste u industriji, trebaju posebne razmenjivae toplote za predgrejavanje ulazne smjese.

Kod vrlo brzih egzotermnih reakcija odvoenje toplote mogue je jedino kroz postupak tzv. quencha odnosno brzog prekida toplotnog toka (brzim padom temperature nastali produkti se zalede i dalje reakcije u nepoeljne produkte su zaustavljene).

Quench se ostvaruje neposrednim kontaktom rashladnog medija (obino vode) s vruom reakcijskom smjesom (kao npr. u procesu dobivanja ai nepotpunom oksidacijom ugljovodonika).

Kod endotermnih reakcija povoljno je adijabatsko voenje reakcija, uz razreenje reakcijske smjese inertom koji tada slui i kao unutranje "gorivo", odnosno izvor toplote (npr. kod procesa dehidriranja etilbenzena u stiren). Za endotermne reakcije dobro je rjeenje dodatno zagrejavanje izmeu slojeva s katalizatorom.

Izmjena toplote - neke mogunostiPorast toplotnog kapaciteta

adijabatski rad(nema izmjene topline)

vanjska izmjena -izmjenjiva topline

izmjena preko stijenke; unutarnja izmjena pomou kondenzirane pare

viecijevni- izmjena preko stijenki cijevi

porast toplinske dunosti

Temperaturna osjetljivost reakcije moe se kvantitativno ocijeniti s tri pokazatelja:

adijabatskom konstantom (adijabatski porast temperature),temperaturnom osjetljivosti itoplotnim potencijalom.Adijabatska konstanta - maksimalna promjena temperature uz zadate radne uslove i sastav reakcijske smjese pri potpunoj konverziji kljunog reaktanta:

vs - molalna zapremina ulazne smjese Cp - molalni toplotni kapacitetza endotermne reakcije Af je negativna (temperatura se snizuje!)za egzotermne reakcije Af je pozitivna Vrijednosti: -1000 do +2000- za izraunavanje potrebno je poznavanje reakcijskog puta i brzine pojedinih reakc. stupnjeva

Karakteristika temperaturne osjetljivosti, Of - ukazuje na promjenu brzine reakcije s promjenom temperature

pa je- Temperaturna osjetljivost:- daje uvid u brzinu kojom se toplota oslobaa ili gubi hemijskom reakcijom:rA

Toplotni potencijal, Pt - bezdimenziona karakteristika i proizvod je prethodnih dve, T0 poetna (ulazna) temperatura

Izvedba i dimenzioniranje reaktoraOsnovni procesni parametri: izlazna konverzija kljunog reaktanta i selektivnost.

Parametri su odreeni osnovnim varijablama: temperatura, sastav i zapremina te sastav ulaznih struja, nain mijeanja i pritisak.Za dimenzionisanje potrebno je poznavanje i dr. varijabli i parametara:povrina i nain prijenosa toplote,protoci ogrevnog, odnosno rashladnog medija,ulazne i izlazne temperature,tip mjealice, njene dimenzije i snaga mijeanja tegeometrija reaktora.

Dimenzionisanje reaktora slijedi nakon izbora reaktora izmeu vie alternativnih prijedloga (ako postoje!).