5. ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ

Περιεχόμενα:

•Είδη αντιδραστήρων•Αντιδραστήρας Διαλείποντος Έργου (V=ct, V≠ct)•Χώρος χρόνου και Ταχύτητα χρόνου αντιδραστήρα•Αντιδραστήρας Ροής Πλήρους Ανάμιξης•Αντιδραστήρας Εμβολικής Ροής

Hydrotreating unit

ΕΙΔΗ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ

Αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (Batch reactors)

Άλλοι τύποι αντιδραστήρωνFluidized Bed ReactorTrickle Bed Reactor

Αντιδραστήρες συνεχούς ροής (Flow reactors)ΑΡΠΑ (CSTR) Αντιδραστήρας Ροής Πλήρους Ανάμιξης (Continuous Stirred Tank Reactor)ΑΕΡ (PFR) Αντιδραστήρας Εμβολικής Ροής

(Plug Flow Reactor)Packed Bed Reactor (PBR)

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (ΑΔΕ)

Ασυνεχής αντιδραστήραςΑυτοτελούς (διαλείποντος) έργου

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΕΜΒΟΛΙΚΗΣ ΡΟΗΣ (ΑΕΡ)

Συνεχής αντιδραστήραςΕμβολικής ροήςΡοή: συνεχής, στρωτή, ομοιόμορφηΣυγκέντρωση: μεταβάλλεται κατά μήκος του ΑΕΡ

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΡΟΗΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΕΩΣ (ΑΡΠΑ)

Συνεχής αντιδραστήραςΠλήρους ανάμιξηςΡοή: συνεχής, συνθήκες τέλειας ανάδευσης

Συγκέντρωση: ομοιογενής σε όλο τον αντιδραστήρα. Το προϊόν έχει ίδια συγκέντρωση με αυτή στον αντιδραστήρα

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ - ΑΔΕ

Ισοζύγιο μάζας σε όλο τον αντιδραστήρα

Είσοδος = έξοδος + απώλεια + συσσώρευση

{ Ρυθμός απώλειας του Α } = - { Ρυθμός συσσώρευσης του Α}

Αντιδραστήρας διαλέιποντος

έργου

)()(*

*)(

***

*)]1(*[

Α

) (*) (*)(

*

/

0

0

xA CA

CAo A

A

A

AAo

xA

A

AAo

AAoA

AAo

AAoA

A

r

dC

r

dxCtctV

Vr

dxNt

dt

dxNVr

dt

dxN

dt

xNd

dt

dNώ

ύόύόό

ώAmolesVr

όmoles

ίό

ώ

ΑΔΕ - Για αντιδράσεις με μεταβολή όγκου

)*1(*)(

*)*1(**)(

*

)*1(* *)(

*

00

0

xA

AA

AAo

xA

AA

AAo

A

xA

A

AAo

xr

dxC

xVor

dxNt

xVoVVr

dxNt

ΓΕΝΙΚΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΗ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΣΤΑΘΕΡΗΣ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑΣ

ΧΡΟΝΟΣ ΧΩΡΟΥ ΚΑΙ ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΧΩΡΟΥ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑ

Για αντιδραστήρα συνεχούς ροής

A

AAA

AA

C

F

t

N

V

NC

ό

ή

ό

s

όά

ήόό

sή

ώύό

ή

όίί

όίό

sή

ώόό

t

VQo F

εισερχΑ moles

*ας ττροφοδοσόγκος

εισερχΑ moles

F

V*C

ςτροφοδοσία

ρυθμός όςογκομετρικ

ρααντιδραστή όγκος

Qo

V1

1

1

Ao

Ao

1

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΡΟΗΣ ΠΛΗΡΟΥΣ ΑΝΑΜΙΞΗΣ (ΑΡΠΑ)

Εισροή = Εκροή + κατανάλωση + συσσώρευση

Εισροή Α, moles/t = FAo*(1-xAo)=FAo

Εκροή Α, moles/t = FA = FAo*(1-xA)

Κατανάλωση A, moles/t=(-rA)*V=

CAo

XAo=0

Uo

FAo

CAf=CA

xAf=xA

Uf

FA

(-rA)f=(-rA)

*) (*)(

ή

ό

ύόό

ώAmoles

ff rA

xAixAfCAo

rA

xAixAf

FAo

V

έxAixAorA

xACAo

FAo

CAoV

Uo

VrA

xA

rA

xA

CAoFAo

V

ήVrAxAFAoVrAxAFAoFAo

)(

)(*

FAo

CAo*V τ

)(

0

**

s

1τ

ή

*)(**)()1(*

Αντιδραστήρας ροής πλήρους ανάμιξης

(ΑΡΠΑ-CSTR) (τομή)

rA

CACAo

rA

rACAo

CACAo

rA

xACAo

CAxA

xA*CAoτ

)(*)(FAo

V

1

Παράδειγμα (αντίδραση 1ης τάξης)

CA

CACAo

xAk

xACAokCAkrA

1

xA*

)1(***

Συστήματα μεταβλητής πυκνότηταςΣυστήματα μεταβλητής πυκνότητας εΑ εΑ≠≠00

)1(*)(

xA*xA)*εA(1*CAτ

*1

1

κ και)*1(*

xArA

xAA

xA

CAo

CA

xAAVoV

Παράδειγμα(αντίδραση 1ης

τάξης)

xAk

CAkrA

1

xA)*εA(1*xA*

*

ΑΡΠΑ

Συστήματα σταθερής πυκνότητας Συστήματα σταθερής πυκνότητας εΑ=0εΑ=0

ΠΑΑΡΔΕΙΓΜΑ

Η στοιχειώδης αντίδραση 2ΑΒ πραγματοποιείται σε έναν αντιδραστήρα ΑΡΠΑ. Η ογκομετρική παροχή του συστατικού Α είναι 25 L/s και έχει συγκέντρωση 0,2 mol/L. Ποιος θα πρέπει να είναι ο όγκος του αντιδραστήρα για να επιτευχθεί 90 % μετατροπή; Η τιμή της σταθεράς είναι k=10 L/(mol*s)

s

sLL

Vo

V

LV

Lmol

smolL

sL

Vx

xCk

xVo

xCk

xCVoV

xCCVo

xF

Vo

F

V

FC

CVoCVFCVoFVoV

Ckr

r

xFV

A

AAO

A

AAO

AAO

AAOAAAOAA

A

AAAAOAO

AA

A

AAO

4525

1125 :χρόνου Χώρος

1125)9,01(*2,0*

*10

9,0*25 9,0 Για

)1(**

*

)1(**

**

)1(*)1(*

** * )(

*

*

2

222

2

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ

1-

1-

11

min*lt 4

min*lt 875,0*8,0

120*04,0

*

*

)(

*

)(

xA*CAo

min** 04.0**2**1

0,6CS 0,6CR 0,20,6-0,8CB 0,80,6-1,4CA 0,75xA

0CSo 0CRo mol/lt 0.8CBo mol/lt 4,1 0

QBoQAo

xBCBo

VrBQo

rB

xBCBo

rAUo

V

ltmolCSCRkCBCAkrBrA

CAoxA

lt/mol.min 32

lt/mol.min 712

1

k

k

SRBAk

kFAo=2,8 molA/L

FBo=1,6 molA/L

FA xB=75%

FB

V=120 L εΑ=0

QAo=? QBo=?

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ ΕΜΒΟΛΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΑΕΡ

xAf

xAfxAfV

rA

dxACAo

Uo

V

s

rA

dxA

FAo

V

CAorA

dxA

FAo

dV

dVrAdxAFAo

dxAFAoxAFAoddFA

dVrAdFAFAFA

ώάήή

0

000

*1

*)(*

*)]1(*[

*)(

Συστήματα σταθερής πυκνότητας εΑ=0Συστήματα σταθερής πυκνότητας εΑ=0

CAf

CAo

xAf

xAf

rA

dCA

rA

dxACAo

Uo

rA

dxA

CAoή

CAo

CAxAύ

0

CAf

CAo0

*V

τ

rA-

dCA*

CAo

1-

FAo

V

CAo

dCA-dxA 1

(ii) (ii) Συστήματα μεταβλητής πυκνότητας Συστήματα μεταβλητής πυκνότητας εΑεΑ≠≠00

xA

krA

dxACAo

FAo

VCAoή

CAoCAACAo

CA

xAA

xAύ

0

1*

* τ

*1

1 xA

*1

1

CAo

CA

ΑΕΡ

3 Stage Converter

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ

3

3-

o

0

0xA1xA

0

xAf

00

m 14,5V

m*kmol 061,0923*

mol*Katm*l

0,082

atm 6,4

)V-V

( 75,04

47

)*1

1ln*)1(*

**

1

*1*

*

FAo

*1

1*

CA*k

dxA*FAo*

KRT

PAoCAo

VA

xAxA

ACAok

FAodxA

xA

xA

CAokV

xAA

xACAoCA

rA

dxAFAoV

o

xA

xA

xAf

4 Α(g) R(g) + 6 S(g)

-rA=k*CA, k=10 h-1 , T=650°C, P=4,6 atm, xA=0,80, FAo=4 kmol/h-1Ποιος είναι ο όγκος του αντιδραστήρα εμβολικής ροής?