Kinetika a reaktorové inžinierstvo

Prednášky: prof. Ing. Alexander Kaszonyi, PhD.

Hlavné témy predmetu:

1. Základné pojmy a definície. Látkové charakteristiky reagujúcich sústav. Rýchlosť reakcie a rýchlosť vzniku jednotlivých zložiek.

2. Triedenie chemických reakcií. Triedenie chemických reaktorov. 3. Látková bilancia, zmeny zloženia vo vsádzkových a prietokových reaktoroch pri

jednoduchých a zložitých reakciách.

4. Rýchlostné rovnice pre jednoduché homogénne reakcie - elementárne a neelementárne.

5. Rýchlostné rovnice pre zložité reakcie, mechanizmus reakcie a kinetické rovnice 6. Vplyv teploty na rýchlosť reakcie - Arrheniova rovnica, teória aktivovaného

komplexu.

7. Ideálny vsádzkový reaktor - látková bilancia, projektová rovnica, rovnice integrálnej premeny.

8. Priestorový čas. Reaktor s piestovým tokom, projektová rovnica, rovnice integrálnej premeny.

9. Prietokový reaktor s dokonalým miešaním, projektová rovnica, rovnice integrálnej premeny.

10. Kaskáda prietokových reaktorov s dokonalým miešaním. 11. Vyhodnotenie izotermických kinetických údajov pre homogénne reakcie. 12. Získavanie kinetických údajov. Vyhodnotenie kinetiky jednoduchých reakcií -

diferenciálne metódy, integrálne metódy, nelineárna regresia.

13. Získavanie kinetických údajov. Vyhodnotenie kinetiky zložitých reakcií. 14. Kinetika katalyzovaných reakcií 15. Výpočet izotermických reaktorov pre jednoduché reakcie. 16. Výpočet objemu, špecifický výkon, modelové reaktory. 17. Výpočet izotermických reaktorov pre zložité reakcie. 18. Selektivita a výťažok. Paralelné reakcie, následné reakcie, iné typy zložitých reakcií. 19. Neizotermické reaktory. Energetická bilancia. Ideálny vsádzkový reaktor - entalpická

bilancia, adiabatický, s výmenou tepla.

20. Neizotermické reaktory. Reaktor s piestovým tokom. 21. Neizotermické reaktory. Prietokový reaktor s dokonalým miešaním - výpočet

ustálených stavov.

https://moodle.uiam.sk/course/view.php?id=358

výpočtové cvičenia: Doc. Ing. Vladimír Danielik, PhD., Ing. Blažej Horváth, PhD.

https://moodle.uiam.sk/course/view.php?id=358

Vymedzenie obsahu predmetu a vysvetlenie pojmov:

Chemická kinetika – opisuje priebeh chemických reakcií pomocou zmien koncentrácií reagujúcich

látok a rýchlostí elementárnych krokov premeny suroviny na

- medziprodukty,

- hlavné produkty a

-vedľajšie produkty

v súlade s mechanizmom reakcie,

ďalej opisuje vplyv teploty, tlaku a iných reakčných podmienok na rýchlosť uvedených reakcií so

zohľadnením vplyvu rýchlosti prestupu tepla a látok na celkovú rýchlosť procesu.

Hlavným cieľom výskumu je získať matematický model (kinetický model) reakcií prebiehajúcich

v danom reaktore.

Reaktor je srdcom každej chemickej výroby, je najdôležitejším zariadením kde prebieha vlastná

chemická premena surovín na požadovaný(é) produkt(y). Pred a za chemickým reaktorom sú

zariadenia, kde prebiehajú fyzikálnochemické procesy. Pred reaktorom sa suroviny upravia do stavu

vhodného pre dávkovanie do reaktora (upraví sa teplota, tlak, pripraví sa roztok, atď.). Za reaktorom

sa oddelí reakčný produkt, katalyzátor, rozpúšťadlo a nezreagovaná surovina. Produkt sa dočisťuje na

požadovanú kvalitu. Katalyzátor sa regeneruje a recykluje spolu s nezreagovanou surovinou, ak je to

ekonomicky výhodné.

Pre výber separačných postupov a typ zariadení v ktorých vyššie uvedené fyzikálno-chemické

procesy prebiehajú sú určujúce chemické a fyzikálno-chemické vlastnosti reakčného produktu.

Pritom kinetika procesov, ktoré prebiehajú v reaktore, má zásadný vplyv na ekonomiku zariadení

pred a za reaktorom, lebo výrazne ovplyvňuje zloženie konečného reakčného produktu.

Najdôležitejšia otázka pre technológa: aký veľký reaktor potrebujeme na požadovanú produkciu,

resp. aký je výkon daného reaktora ?

Význam slova inžinierstvo najlepšie pochopíme, ak sa vrátime o 100 až 150 rokov späť do obdobia

priemyselných revolúcií, keď sa objavovali prvé stroje s motorom a preniesol sa význam pôvodného

latinského výrazu ingenium (nápaditosť, duševná sila, inteligentný vynález) cez francúzsky „engin“ a

anglický „engine“ (samohybný stroj, motor), na osobu zodpovednú za vývoj, výrobu a používanie

zostavy strojov a motorov, fr. „engineor, engignneur angl. engineer, ktorá disponovala potrebnými

znalosťami zhrnutými pod názvom fr. ingénierie , angl. engineering, slov. inžinierstvo.

V súčasnosti pod pojmom inžinierstvo rozumieme: Tvorivé uplatňovanie vedeckých princípov na

navrhovanie a vývoj výrobných postupov, strojov, prístrojov, stavieb, alebo ich štruktúr, s ich

samostatným alebo v kombinovaným použitím; alebo konštruovanie a prevádzkovanie vyššie

uvedených s plným vedomím princípov ich konštrukcie a so schopnosťou predpovedať ich správanie

za špecifických prevádzkových podmienok so znalosťou chemických, fyzikálnych a iných procesov

ktoré v nich prebiehajú a všetkého čo sa týka ich zamýšľanej funkcie, ekonomiky prevádzky a

bezpečnosti života a majetku.

Teraz položme si otázku: Akými vedomosťami má disponovať chemický inžinier, technológ, aby

ovládal reaktorové inžinierstvo, t.j. aby vedel riadiť chemické a fyzikálnochemické procesy

prebiehajúce v chemickom reaktore a aby vedel navrhovať, vyvíjať, uvádzať do chodu a prevádzkovať

výrobu chemických látok v chemickom reaktore ?

1. Musí poznať reaktivitu a chemické vlastnosti látok v reaktore; pri akých podmienkach ako

budú navzájom reagovať – – preto sa technológ učí anorganickú a organickú chémiu a aj

základy biochémie.

2. V nadväznosti na chemické vlastnosti má mať vedomosti o rozdelení elektrónov v reagujúcich

molekulách, o ich možných energetických stavoch, o dôsledkoch ich zmien odzrkadľujúcich

sa v termodynamike, v reaktivite, polarite látok, atď. Musí poznať fyzikálnochemické

vlastnosti látok a vedieť, že aký vplyv majú na priebeh procesov v reaktore a na vzájomnú

miešateľnosť zložiek. Technológ tieto vedomosti získa štúdiom fyzikálnej chémie. Napr.

teplota varu a topenia látok sa môžu zdať ako obyčajné a nezáživné veličiny, ale z hľadiska

konštrukcie zariadení a uskutočnenia reakcie je zásadný rozdiel, či reagujúce zložky sú

plynné, kvapalné alebo tuhé pri podmienkach reakcie – z hľadiska skupenského stavu

reaktantov poznáme rozličné typy reaktorov a reakcii.

3. Musí poznať zloženie reakčnej zmesi, obsah nečistôt v surovinách a produktoch, všeobecne

v každom prúde, ktorý prichádza alebo odchádza z reaktora ale aj v samotnom reaktore. Má

vedieť aké fyzikálne a chemické vlastnosti sa dajú využiť na ich stanovenie, akými metódami

sa dá kontrolovať výroba– preto sa technológ učí analytickú chémiu a metódy kontroly

procesov.

4. Musí poznať postupy na dopravu surovín a produktov, na prívod a odvod rôznych druhov

energií, postupy na separáciu zložiek zmesí látok, najmä reakčných produktov, zákonitosti

prestupu látok a tepla – preto sa technológ učí základy chemického inžinierstva a separačné

procesy.

5. Aby bol schopný vyvíjať nové technológie a vylepšovať existujúce musí poznať princípy

fungovania výrobných postupov a mať prehľad o výrobných postupoch chemických látok

a materiálov – preto sa technológ učí technológie výroby chemických látok a materiálov

počnúc spracovaním základných surovín, cez základné produkty, medziprodukty až po jemné

chemikálie a chemické špeciality.

6. Viac ako 80 % chemických výrob využíva katalyzátory– preto sa technológ učí katalýzu.

7. Musí poznať základné zákony termodynamiky a ich vplyv na smer chemických reakcií

a rovnováhy v separačných procesoch– preto sa technológ učí termodynamiku.

8. Toto všetko musí skĺbiť s chemickou kinetikou, reakčným a reaktorovým inžinierstvom.

9. V súčasnosti bez optimalizácie využitia energie v chemickom reaktore a nadväzných

zariadeniach celej chemickej výroby sa nedá ekonomicky vyrábať – preto sa technológ učí

energetické inžinierstvo a odporúča sa aj nákladové inžinierstvo.

10. K vývoju nových výrobných postupov a k vylepšovaniu existujúcich výrob sú nevyhnutné aj

vedomosti získané v predmete Navrhovanie chemických výrob a v Optimalizácii chemických

technológií.

Najdôležitejšia otázka pre technológa z kinetiky:

pri vsádzkovom reaktore - koľko trvá premena surovín na žiadané produkty ?

resp. pri prietokovom reaktore – ako rýchlo máme dávkovať suroviny ?

- aby z reaktora vychádzala reakčná zmes požadovaného zloženia

Najdôležitejšia otázka pre technológa z reaktorového inžinierstva: aký veľký reaktor potrebujeme

na požadovanú produkciu, resp. aký je výkon daného reaktora ?

Typy reaktorov

Podľa prítomných fáz:

•Pre homogénne reakčné zmesi – reakčné zložky sú prítomné len v 1 fáze • Pre heterogénne reakčné zmesi – sú prítomné min. 2 fázy (plyn + kvapalina, plyn +

tuhá fáza, kvapalina + tuhá fáza, plyn + kvapalina + tuhá fáza); tuhú fázu často tvorí katalyzátor.

Pri reakčných systémoch hovoríme aj o typoch: plynný (g), kvapalný (l), tuhý (s) a kombinované systémy: g-l, g-s, l-s a g-l-s.

Podľa prevádzky:

1. Vsádzkové (pretržité, batch) – jednoduchá nádoba (valcová s polguľovým dnom) s miešadlom, plášťom, resp. hadom na ohrev alebo chladenie.

Použitie: v prevádzkach malotonážnej chémie (výroba čistých chemikálií, farieb, farmaceutický, potravinársky priem.), alebo pre pomalé chemické reakcie, alebo ak sú problémy s kontinuálnou prepravou látok (tuhé látky, pasty, cesto).

Výhody: jednoduchý, vysoký výťažok,

Nevýhody: relatívne malý výkon, vysoké prevádzkové náklady, veľa prípravných operácií (plnenie, vyhrievanie, chladenie, vyprázdňovanie, čistenie).

Spôsoby výmeny tepla vo vsádzkových reaktoroch

Prietokové (nepretržité, kontinuálne) a) Miešaný prietokový reaktor (Continuous Stirred Tank Reactor – CSTR):

Konštruovaný rovnako ako vsádzkový reaktor, ale reakčná zmes neustále reaktorom preteká. Dôležité je zabezpečiť rýchle dokonalé miešanie, t.j. čas potrebný na dosiahnuté homogenizácie

a) Duplikátor; b) Navarené rúrky na plášti; c) Vnútorný rúrkový had; d) Vnútorný zväzok rúrok; e) Vonkajší výmenník tepla; f) Kondenzátor; g) Vyhrievanie v ohnisku pece b) Rúrkový reaktor: ak sa vyžaduje kontinuálny chod a nechceme, aby došlo k výraznému zmiešaniu surovín a produktov.

Použitie: najmä pre reakcie v plynnej fáze, reakcie, ktoré sa uskutočňujú za vysokého tlaku alebo veľmi endotermické reakcie pri vysokých teplotách; veľkokapacitné prevádzky.

Typy rúrkových reaktorov

3. Polopretržité (semibatch) – jedna surovina je vsadená do reaktora pred začatím reakcie a

druhá zložka sa postupne dávkuje, po ukončení reakcie sa produkt vypustí

4. Poloprietokové (reaktory s bočným nástrekom) – niektorá surovina sa nastrekuje do reaktora

na niekoľkých miestach

5.Spôsoby usporiadania reaktorov

1. jednoduché reaktory – produkt vzniká pri jednom prechode suroviny reaktorom, dôležitá je

rýchlosť reakcie a doba zotrvania suroviny v reaktore, majú tvar otvorenej alebo uzavretej

nádoby

2. reaktory v sérii – ak je pri jednom prechode reaktorom nízky výťažok (pomalá reakcia);

postupná konverzia suroviny na produkt ⇒ limitný prípad je dlhý rúrkový reaktor

3. systémy s recyklom – ak je potrebná dlhá doba kontaktu surovín, ale dlhý reaktor sa nedá

realizovať.

Link – učebnica kinetiky Praha

https://vydavatelstvi.vscht.cz/katalog/publikace?uid=uid_isbn-978-80-7080-908-2

https://vydavatelstvi.vscht.cz/katalog/publikace?uid=uid_isbn-978-80-7080-908-2