REAKTORY CHEMICZNE

Półprzepływowy reaktor absorpcyjny

1.Cel ćwiczenia:

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.

2.Co to jest absorpcja?

Absorpcja, w chemii proces dyfuzyjny polegający na pochłanianiu jakiejś substancji (zwany absorbatem) przez całą objętość innej substancji, która tworzy odrębną fazę (zwany absorbentem). Absorbatem jest najczęściej gaz lub ciecz, a absorbentem ciecz lub ciało stałe. Absorpcję prowadzi się często w celu wydzielenia określonego składnika z mieszaniny gazów.

3.Opis ćwiczenia:

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).

3.Obliczenia:

α_A

Temperatura	stężenie w	stężenie	stopień
w reaktorze('C)	w reaktorze(%)	początkowe(%)	przemiany
20	0,09728	0,3	0,675733
30	0,03566	0,3	0,881133
40	0,05458	0,3	0,818067
50	0,06522	0,3	0,7826
60	0,08255	0,3	0,724833
70	0,08983	0,3	0,700567
80	0,12985	0,3	0,567167

3.Interpretacja wyników:

W reaktorze tym występuje woda, która w odpowiedniej temperaturze różnie absorbuje dwutlenek siarki np. w temperaturze 20⁰C proces absorpcji następuje już od początku reakcji, czyli od czasu T₀ i stężenie w gazach wylotowych SO₂ wzrasta kiedy woda nie może już zaabsorbować więcej tego związku.

Stopień przemiany także zależy od temperatury całego procesu. W początkowych temperaturach(do 30'C) stopień wzrasta ponieważ woda absorbuje dużą cześć dwutlenku siarki. Następnie stopień przemiany maleje ponieważ woda od temperatury 30⁰C coraz mniej absorbuje SO₂ i tym samym zwiększa się stężenie tego związku w gazach wylotowych. Z tego wykresu, przedstawionego wcześniej wynika, że proces ten jest opłacalny jeśli będzie przeprowadzany w zakresie temperatur 20⁰C-30⁰C.

4

---