Ingineria proceselor chimice şi biologice/7

Transcription

1 Universitatea Tehnică Gheorghe Asachi din Iaşi Facultatea de Inginerie Chimică şi Protecţia Mediului Ingineria proceselor chimice şi biologice/7 An universitar Titular disciplină: Prof.dr.ing. Maria Gavrilescu Departamentul Ingineria şi Managementul Mediului

2 Modelul curgerii cu deplasare totală (piston, cu front plan de viteze) Se caracterizează prin aceea că mişcarea (deplasarea, curgerea) fluidului în reactor se face în mod ordonat, toate elementele de volum a fluidului deplasându-se cu aceeaşi viteză. Nu sunt admise fenomene cum ar fi: difuziunea în sensul de curgere sau viteze de curgere diferite pentru un element de fluid. Se poate considera că materia trece prin reactor într-un singur front. Parametrii de operare variază pe lungimea reactorului, dar într-o secţiune transversală a reactorului aceştia sunt constanţi. a) b) 2

3 Modelul curgerii cu amestecare perfectă Se caracterizează prin faptul că fluidul este atât de bine amestecat încât are o compoziţie constantă şi omogenă în întreaga masă a reactorului. Din acest motiv fluidul care părăseşte reactorul are aceeaşi compoziţie ca şi fluidul din interiorul reactorului. Masa de reacţie se caracterizează prin uniformitatea parametrilor funcţionali (temperatură, presiune, concentraţia masei de reacţie). C A0 C A V, C A,, r A

4 c) după regimul de operare reactoare discontinue reactoare semicontinue reactoare continue Reactoarele discontinue şi semicontinue pot fi numai cu recirculare şi se simbolizează cu DC sau SC: A A B Produşi DC B SC

5 Reactoarele continue pot fi: recirculare (R) deplasare (D) mixte (R-D) A, B L P 1 R Produşi A B D Produşi G P 2 D-R

6 d) după regimul termic: reactoare izoterme reactoare adiabatice reactoare neizoterme reactoare neadiabatice reactoare autoterme

7 Procese chimice în sisteme omogene realizate în reactoare ideale în regim izoterm Caracterizare Procesele chimice omogene se caracterizează prin aceea că fazele ce reprezintă reactanţii si produşii de reacţie sunt în aceeaşi stare de agregare şi sunt perfect miscibile. Masa de reacţie iniţială ca şi masa de reacţie finală sunt omogene.

8 Adesea masa de reacţie conţine, în afară de reactanţi şi substanţe inerte, dar în aceeaşi stare de agregare cu cea a reactanţilor. Substanţele inerte nu participă la reacţie şi se regăsesc în masa finală de reacţie. Utilajele în care au loc reacţiile omogene aparţin unuia din următoarele tipuri generale: reactoare discontinue reactoare continue în regim staţionar reactoare continue în regim nestaţionar

9 Noţiuni de bază în proiectarea proceselor şi reacţiilor chimice In vederea proiectării unui proces chimic sau a unui reactor chimic trebuie supuse analizei următoarele probleme: dacă procesul propus este posibil; dacă procesul are loc cu absorbţie sau degajare de căldură; cu ce viteză se desfăşoară procesul; care este randamentul maxim de transformare; care sunt factorii ce influenţează procesul chimic.

10 Ecuaţiile de proiectare sunt expresii cantitative care corelează fenomenele de transfer de proprietate din reactorul chimic şi modelul cinetic BILANŢUL DE MATERIALE BILANŢUL DE ENERGIE BILANŢUL DE IMPULS Sunt intercorelate MODELUL CINETIC

11 De exemplu: - dacă T creşte, se va intensifica viteza de reacţie - pentru gaze, dacă T creşte, se va mări valoarea debitului volumetric şi va creşte valoarea diferenţei de presiune P De aceea, pentru a obţine cea mai simplă formă a ecuaţiilor de proiectare se presupune că în reactor curgerea poate fi apreciată folosind un model ideal de curgere, iar temperatura este constantă, adică sistemul funcţionează în regim izoterm.

12 Punctul de plecare pentru proiectarea oricărui tip de reactor îl constituie întocmirea bilanţului de materiale. Bilanţul de materiale reprezintă o analiză completă şi exactă, întemeiată pe legea conservării masei, asupra cantităţilor de materiale totale şi/sau pe specii care intră, ies, se acumulează sau dezacumulează într-un sistem tehnic sau natural, considerat într-un timp dat.

13 Specia poate fi: specie chimică (bilanţ pe componenţi) specie atomică (bilanţ pe elemente) un material slab definit (reziduu, steril, precipitat) o fază (bilanţul fazelor). Bilanţul de materiale se poate referi la: un proces tehnologic în totalitatea lui; un grup de utilaje; un singur utilaj; o porţiune finită dintr-un aparat; un element diferenţial dintr-un aparat.

14 Forma generală a ecuaţiei bilanţului de materiale Bilanţul de materiale este o aplicare a legii conservării masei, şi se poate scrie astfel: I E + G = A (15) I materiale care intră în sistem prin frontierele acestuia; E materiale care ies din sistem prin frontierele acestuia; G materiale generate în sistem; A materiale acumulate în sistem. Termenul G poate fi pozitiv sau negativ şi are sens numai dacă în sistem are loc o reacţie chimică, în urma căreia are loc generare netă (+) sau un consum net (-) al speciei chimice al cărui bilanţ se face. Termenul A poate fi şi el pozitiv sau negativ, după cum în sistem are loc o acumulare sau dezacumulare a materialului pentru care se întocmeşte bilanţul de materiale.

15 termenul A (acumulare): regim nestaţionar (variabilele procesului sunt dependente de timp): A 0 regim staţionar (variabilele procesului sunt independente de timp): A = 0 termenul G (generare) în sistemele în care are loc o reacţie chimică: G 0 în sistemele în care nu are loc reacţie chimică: G = 0 termenul I (intrare) sistemele în care există curent de intrare: I 0 sistemele în care nu există curent de intrare: I = 0 termenul E (ieşire) sistemele în care există curent de ieşire: E 0 sistemele în care nu există curent de ieşire: E = 0

16 La întocmirea bilanţului de materiale este necesar: să se delimiteze sistemul, să se precizeze frontierele sau domeniul pentru care se face bilanţul. Bilanţul total este bilanţul de materiale care se referă la o instalaţie în întregul ei şi la toate materialele care circulă. Bilanţul parţial este bilanţul de materiale care se referă fie numai la unul sau la o parte din materialele care intervin Bilanţul de materiale poate fi întocmit: în raport cu un reactant în raport cu produşii de reacţie.

17 Pentru un sistem în care se desfăşoară o reacţie singulară de următoarea formă generală: A A B B M M N N (16) ecuaţia stoechiometrică arată că dacă ν A moli de reactant A vor reacţiona cu ν B moli de reactant B se vor forma ν M moli de produs de reacţie M şi ν N moli produs de reacţie N. conversia va arăta evoluţia reacţiei în raport cu fiecare specie participantă la reacţie. Pentru întocmirea bilanţului de materiale se alege o specie chimică de referinţă care este, de preferinţă, un reactant (mai ales în cazul reacţiilor complexe cu formare de produşi secundari).

18 La scrierea ecuaţiei de bilanţ pentru un reactor particular, se delimitează sistemul pentru care se întocmeşte bilanţul. Acesta poate fi un element de volum sau un element de timp. Se pot pune în evidenţă următoarele cazuri: 1. dacă există o variaţie a compoziţiei cu poziţia în reactor (variaţie spaţială, ca în cazul reactorului tubular-curgere cu deplasare), bilanţul se întocmeşte pe un element diferenţial de volum, iar rezultatul se integrează: δv I E S S δl L

19 2. în cazul în care compoziţia este uniformă (reactorul este cu amestecare perfectă), dimensiunea elementului de volum este imaterială. Prin convenţie se poate alege fie unitatea de volum, fie volumul întregului reactor. 3. în cazul în care compoziţia se modifică în timp (reactorul discontinuu), bilanţul de materiale se întocmeşte pentru un element diferenţial de timp. 4. pentru operarea în regim staţionar concentraţia nu variază în timp, intervalul de timp este imaterial şi se poate considera ca bilantul se poate intocmi pentru unitate de timp.