Reattori Isotermi

1. Reattori Isotermi Algoritmo generale Alcune applicazioni

2. Algoritmo per il progetto di reattori isotermi Start End Bilancio materia per mole Fa funzione di (ra) Determinare ra in funzione di Conc. Dei reagenti Ra= rz (Ci) Equazioni di progetto Fa funzione di (X) Batch CSTR PF Uso stechimetria per esprimere conc. In funzione di X • Fase liquida o batch V=cost. • Fase gas Uso eq. di progetto: - Integrali o algebriche - Analitiche o numeriche Per ottenere Volume o Tempo Valuto perdite di carico dy/dW Combino step precedenti per Ottenere Ra = f(X) Ra=f(X) Noto ?

3. Algoritmo di soluzione per reattori isotermi Caso di un PFR con cinetica del primo ordine in fase gas

4. O2, N2 etilene H2 - etilene H2O H2O + H2SO4 Etilene etano ossido etilene aria etano etilene glicole L’impianto completo • Produzione di 200 milioni di libbre di glicole etilenico da 402 milioni di libbre di etano • Reattore 1: PFR (100 tubi in parallelo) • Reattore 2: PBR (1000 tubi in parallelo con catalizzatore) • Reattore 3: CSTR (2 in serie da 800 gal ciascuno)

5. Scale up di reattore batch in fase liquida Operazione in batch Progetto dei CSTR

6. Esempio: batch a V costante, reazione secondo ordine, isoterma • Bilancio di moli • Legge cinetica • Stechiometria • Combinazione + altro tempo per riempimento, riscaldamento…

7. Algoritmo per la stima di tempi di reazione • Reattore Batch a volume costante

8. Esempio 4-1: dati di laboratorio Si desidera progettare un CSTR per produrre 200 milioni di libbre di glicole etilenico all’anno per idrolisi di ossido di etilene. Prima di procedere al dimensionamento del reattore, è necessario analizzare dati sperimentali di un reattore batch per determinare la costante di reazione, k. Poiché la reazione viene condotta isotermicamente, si determina la k alla T di reazione del CSTR. A temperature maggiori si ha formazione significativa di sotto prodotto, mentre al di sotto di 40C la reazione non procede ad una velocità significativa: quindi si sceglie una T di 55C. Acqua è presente in eccesso e quindi la sua concentrazione può essere ritenuta costante durante la reazione. Negli esperimenti di laboratorio una soluzione di ossido di etilene (500 ml a 2 M) viene mescolata con 500 ml di acqua contenente 0.9 wt% acido solforico, come catalizzatore. La temperatura è mantenuta a 55C. La concentrazione di glicole etilenico viene misurata in funzione del tempo. Determinare la k di reazione a 55C.

9. Poichè l’acqua è presente in eccesso, la concentrazione dell’acqua al tempo t rimane sempre la stessa, uguale alla concentrazione iniziale, e la velocità di reazione è indipendente dalla concentrazione dei H2O. (CB≈CB0) La reazione è del primo ordine in ossido di etilene:

10. Equazione di progetto Batch Legge cinetica: Stechiometria: nessun cambiamento di volume V=V0 Combinando...

11. ? pendenza = -k = -0.311 min-1

12. Progetto di CSTR Numero di Damkohler CSTR in serie e parallelo Progetto di un CSTR

13. Da è un numero adimensionale in grado di fornire una rapida stima del grado di conversione in PFR Reazione del secondo-ordine Reazione del primo-ordine Numero di Damkohler (Da) Rapporto tra la velocità di reazione di A e la velocità convettiva di A in ingresso Da  0.1 di solito si ottiene una conversione minore del 10% Da  10 di solito si ottiene una conversione maggiore del 90%

14. CSTR, fase liquida, reazione I ordine, isoterma • Bilancio di moli • Legge cinetica • Stechiometria • combinazione o o o

15. CSTR, fase liquida, reazione II ordine, isoterma • Bilancio di moli • Legge cinetica • Stechiometria • Combinazione o o o

16. Conversione in funzione di Da • Esempio numerico reazione del II ordine

17. CAO X=0 v0 CA2 X=X2 CA1 X=X1 V1 ; k1 V2 ; k2 CSTR in serie Bilancio Mole su CSTR-1 Fase Liquida (v = v0), reazione del primo ordine Bilancio Mole su CSTR-2

18. CAO X=0 v0 CAn X=Xn CA n-1 X=Xn-1 V V V V V Tutti i CSTR operano alla stessa temperatura [ k è la stessa in tutti i reattori] n-CSTR in serie di ugualidimensioni

19. n-CSTR in serie di uguali dimensioni

20. V V V n-CSTR in parallelo di uguali dimensioni vo/n C1 X=X1 stessa T, V, v vo/n CA2 X=X2 CAO X=0 v0 vo/n X = Xmix CA3 X=X3 vo/n CAn X=Xn V

21. CSTR in serie • Portata costante • Conversione funzione del numero di tank in serie. • Due tank uguali danno una conversione maggiore di due CSTR in parallelo delle stesse dimensioni se l’ordine di reazione è maggiore di zero

22. CSTR in parallelo • Conversione e velocità di reazione costante in ciascun tank • Somma del volume dei tanks = al volume di un singolo grande CSTR • La conversione in un CSTR è identica a quella che si ottiene alimentando tutta la carica ad un unico CSTR di volume V. • Considerando il grado di miscelamento e lo spazio richiesto, un unico CSTR grande non è conveniente

23. Esempio 4-2. Si desidera progettare un CSTR per produrre 200 milioni di libbre di glicole etilenico all’anno per idrolisi di ossido di etilene. Una soluzione di 1 lb mol/ft3 di ossido di etilene (EO) in acqua viene alimentato in volume uguale ad una soluzione di acqua contenente 0.9 wt% acido solforico. La costante di reazione specifica vale 0.311 min-1, come da esercizio precedente. La velocità di produzione specifica di EO:

24. (a) determinare il volume per ottenere 80% di conversione. Bilancio per CSTR: Cinetica Stechiometria Combinazione:

25. (b) Che conversione si raggiunge con due reattori da 800-gal in parallelo? Bilancio per CSTR: Cinetica Stechiometria Combinazione: La conversione in uscita da ciascun CSTR in parallelo e del 81%.

26. (c) Che conversione si raggiunge con due reattori da 800-gal in serie? Due CSTR uguali in serie danno una conversione maggiore di due in parallelo quando l’ordine di reazione è maggiore di zero.

27. Reattori tubolari Dimensionamento PFR

28. PFR • Reazioni in fase gas sono normalmente condotte in reattori tubolari in cui il flusso è normalmente turbolento • Assumendo che • non ci sia dispersione • no gradienti radiali di T • no gradienti radiali di velocità e concentrazione • La maggioranza di reazioni in fase gas sono catalitiche e sono svolte in PBR

29. PFR, reazione II ordine, fase liquida, isoterma No perdite carico • Bilancio moli • cinetica • stechiometria • combinazione No scambio termico o Numero di Damköhler per reazioni del II ordine

30. PFR, reazione II ordine, fase gas, isoterma No perdite carico • Bilancio moli • cinetica • stechiometria • combinazione No scambio termico

31. Conversione in funzione di L • Per parametri cinetici costanti, la reazione che prevede un decremento nel numero di moli ha la maggiore conversione per una lunghezza PF fissata

32. Esempio 4-3 Determinare il volume del reattore plug flow necessario per produrre 300 milioni di libbre di etilene all’anno per cracking di etano. La reazione è irreversibile ed elementare. Si vuole ottenere una conversione dell’80% in etano, operando il reattore isotermicamente a 1100 K e a 6 atm. Energia di attivazione è 82 kcal/g mol. Portata molare di etilene (B):

33. Bilancio moli PFR: Cinetica elementare Stechiometria Combinazione

34. (b) Si vuole usare banchi di tubi da 2-in. schedule 80 in parallelo, lunghi 40 ft. Per uno schedule 80, l’area sezionale, Ac, è 0.0205 ft2. Il numero di tubi necessario è:

35. Perdite di carico in Reattori

36. in mol/time·mass of catalyst Reazioni solide catalizzate • Velocità di reazione sono di norma espresse in termini di massa di catalizzatore caricato • Le equazioni di progetto sono ottentute in modo simile a quelle per reattori omogenei usando la massa (w) invece che il volume (V). • Esempi di reazioni solide catalitiche: • Reforming del metano e vapore (SMR) per la produzione di idrogeno • Conversione di NOx e CO in convertitori catalitici per auto • Produzione di Stirene

37. Bilancio di moli generale per Reattori Packed Bed Input - Output + Gen = Accumulo w w+w Massa di catalizzatore = w

38. Perdite di carico (Pressure Drop) in Reattori Packed Bed • Flusso di liquidi/gas in letti a riempimento è accompagnato da perdite di carico nel letto. • Dobbiamo tenere conto delle perdite di carico in reattori packed bed? • Per reazioni in fase liquida, piccole cadute di pressione non modificano la concentrazione e quindi la velocità di reazione. • Ma per reazioni in fase gas, la concentrazione è funzione della pressione. Una riduzione di P implica una riduzione in concentrazione e quindi della velocità di reazione. • Bisogna determinare come P si modifica con la lunghezza/volume del reattore (i.e. dP/dz or dP/dw) • Bisogna esprimere la concentrazione in funzione della pressione locale, i.e. Conc (z o w) = f[P(z o w), T(z o w), ..]

39. Perdite di carico e Rate Law Ricordando, (ri) = k(T) x f(Concentrazione) Reazioni in fase liquida v = vO =constante Reazioni in fase Gas SERVE (P/PO)

40. PBR, reazione II ordine, fase gas, isoterma • Bilancio moli • cinetica • Stechiometria • combinazione o Che relazione c’è tra X e P? Se PBR: equazione di Ergun

41. Perdite di carico in letti granulari • Laminare: lineare con Re • Turbolento: costante • Raccordo

42. Perdite di carico in Reattori Packed Bed Perdite di carico in reattori packed bed possono essere stimati dall’ equazione di ERGUN: Laminare (NRE < 1) Turbulento (NRE > 1000)

43. Equazione di Ergun (Cont.) Allo stato stazionario, la portata di massa in una sezione del PBR è uguale alla portata di massa all’ingresso, i.e.

44. Perdite di carico in termini di Massa di Catalizzatore Ac z

45. Equazioni differenziali accoppiate per reattori Packed Bed • Due equazioni differenziali che vanno risolte assieme • T= cost per sistemi isotermi f1(P,T, X) f2(P,T, X)

46. Rearrangiando la seconda equazione

47.   = 0 Reattori Packed Bed - caso speciale e=0 o 1>>eX PBR Isotermo con pressione di ingresso PO Reazione 2A(g)  2B (g); (-rA)=kCA2 Equazione delle perdite di carico =0 Put P/PO = y

48. Reattori Packed Bed - caso speciale 1. Equazione di progetto – Bilancio di moli generale 2. Cinetica 3. Combinando

49. Reattori Packed Bed - caso speciale 3. Combinando (contd.)

50. Perdite di carico in funzione di L • Sostituendo W nella seguente equazione • Si ottiene