1 / 39

จลนพลศาสตร์วิศวกรรมเคมีและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design

จลนพลศาสตร์วิศวกรรมเคมีและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design. ดร . แดง แซ่เบ๊. การเกิดความเปลี่ยนแปลงความดันในเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อไหล. ในระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบแพคเบดที่เป็นปฏิกิริยาอันดับสอง สมการการออกแบบที่ได้ คือ ในวัฏภาคแก๊ส

donald
Télécharger la présentation

จลนพลศาสตร์วิศวกรรมเคมีและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์ Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. จลนพลศาสตร์วิศวกรรมเคมีและการออกแบบเครื่องปฏิกรณ์Chemical Engineering Kinetics and Reactor Design ดร.แดง แซ่เบ๊

  2. การเกิดความเปลี่ยนแปลงความดันในเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อไหล ในระบบเครื่องปฏิกรณ์แบบแพคเบดที่เป็นปฏิกิริยาอันดับสอง สมการการออกแบบที่ได้ คือ ในวัฏภาคแก๊ส เมื่อพิจารณาการดำเนินการที่อุณหภูมิคงที่

  3. การไหลผ่านแพคเบด สมการที่ใช้สำหรับอธิบายความดันที่ลดลงในเครื่องปฏิกรณ์แบบแพคเบด คือ สมการ Ergun ที่ คือความดัน, lb/ft3 • คือ ความพรุน มีค่าเท่ากับ ปริมาตรของช่องว่างต่อปริมาตรรวมของเบด • มีค่าเท่ากับ 32.174 lbm.ft/s2.lbfหรือ 4.17 x 108 lbm.ft/s2.lbf • คือ เส้นผ่าศูนย์กลางของอนุภาคเบด, ft • คือ ความหนืดของก๊าซที่ไหลผ่านเบด, lbm/ft.h • z คือ ความยาวของเบดในท่อ, ft • คือ superficial mass velocity, (g/cm2.s) หรือ (lbm/ft2.h) สามารถพิจารณาได้จาก • คือ ความหนาแน่นของก๊าซ

  4. ในสมการ Ergun ตัวแปรที่เปลี่ยนไปตามความดัน คือความหนาแน่นของก๊าซ และเครื่องปฏิกรณ์ถูกดำเนินการที่สภาวะคงที่ เพราะฉะนั้นอัตราการไหลโดยมวลที่จุดใดๆ ในเครื่องปฏิกรณ์ ( , kg/s) มีค่าเท่ากับอัตราการไหลโดยมวลที่เข้า จะได้ ปฏิกิริยาเกิดที่วัฏภาคเป็นแก๊ส อัตราการไหลเชิงปริมาตรไม่คงตัว

  5. กำหนดให้ เพราะฉะนั้น น้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยาที่เพิ่ทขึ้นตามระยะทางของเครื่องปฏิกรณ์ได้ดังนี้ [น้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยา] = [ปริมาตรของแข็ง] x [ความหนาแน่นของตัวเร่งปฏิกิริยาของแข็ง] โดยที่ คือ พื้นที่หน้าตัด คือ สัดส่วนของแข็ง คือ ความหนาแน่นของเบดของตัวเร่งปฏิกิริยา คือ ความหนาแน่นของตัวเร่งปฏิกิริยา

  6. เปลี่ยนความสัมพันธ์ระหว่าง Z และ W ได้ดังนี้ โดยที่ เมื่อพิจารณา = 0

  7. ตัวอย่าง 5.8 การคำนวณความแตกต่างของความดัน จงคำนวณหาความแตกต่างของดัน ที่อยู่ในเครื่องปฏิกิริยาแบบท่อ ที่มีความยาว 60 ฟุตขนาด 1.5 ท่อถูกแพคด้วยตัวเร่งปฏิกิริยา เป็นแบบเพลเลตขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง ¼ นิ้ว และก๊าซไหลผ่านเบดด้วยความเร็ว 104.4 lbm/h อุณหภูมิคงตัวไปตลอดแนวยาวท่อที่ 260 และมีสัดส่วนช่องว่างเท่ากับ 45% ก๊าซมีคุณสมบัติคล้ายคลึงกับอากาศที่อุณหภูมินี้ ความดันทางเข้ามีค่าเท่ากับ 10 atm ท่อขนาด 1.5 นิ้ว มีพื้นที่หน้าตัดของท่อ 0.01414ft3 ความหนืดของอากาศที่ 260 ˚C และ 10 atm มีค่าเท่ากับ 0.0673 lbm/ft.h ความหนาแน่นของอากาศที่ 260 ˚C และ 10 atm มีค่าเท่ากับ 0.413 lbm/ft.h gcมีค่าเท่ากับ 4.17x108 lbm.ft/h2.lbf

  8. ตัวอย่าง5.9 การคำนวณคอนเวอร์ชั่นในปฏิกิริยาที่มีผลต่างของความดันเกิดขึ้น เอทิลีนออกไซด์ 7 ล้านปอนด์ ถูกผลิตในปี 1997 ในราคา $0.58/lbmโดยปริมาณเอทิลีนออกไซด์ที่ได้มากกว่า 60% ของเอทิลีนออกไซด์จะถูกนำไปใช้ในการผลิตเอทิลีนไกลคอลที่นำไปใช้ในงานต่างๆ ปฏิกิริยาการเกิดเอทิลีนออกไซด์แสดงได้ดังนี้ ต้องการทราบน้ำหนักของตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้ในการเกิดเอทิลีนออกไซด์เพื่อให้ได้ค่าคอนเวอร์ชั่นเท่ากับ 60% โดยป้อนเอทิลีนและก๊าซออกซิเจนเข้าเครื่องปฏิกรณ์แบบเพคเบดในอัตราส่วนปริมาณสัมพันธ์ ปฏิกิริยาดำเนินการที่อุณหภูมิคงตัวที่ 260 ˚C เอทิลีนมีอัตราเร็วการไหลเชิงโมลที่เข้าเครื่องปฏิกรณ์ 0.3 lbmol/s ที่ความดัน 10 atm ถ้าท่อขนาดเส้นผ่าศูนย์กลาง in schedule 40 จำนวน 10 ชุด โดยแต่ละชุดประกอบด้วยท่อ 100 อัน ท่อแต่ละท่อจะประกอบตัวเร่งปฏิกิริยา ดังนั้นอัตราเร็วในการไหลเชิงโมลของแต่ละท่อมีค่าเท่ากับ 3X10-4 lbmol/s คุณสมบัติของของไหลในปฏิกิริยา ให้ประมาณว่าคุณสมบัติเดียวกับอากาศที่อุณหภูมิและความดันเดียวกัน ความหนาแน่นของเร่งปฏิกิริยาที่มีขนาด 1/4 นิ้ว คือ 120 lb/ft3และสัดส่วนช่องว่างประมาณ 0.45 มีสมการอัตราเร็วปฏิกิริยาดังนี้ lbmol/lbcat.h ที่ 260 ˚C

  9. การหาสมการแสดงอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมี

  10. บทนำ การหาสมการแสดงอัตราการเกิดปฏิกิริยาที่ได้จากการวิเคราะห์ข้อมูลในการทดลอง ที่สภาวะการดำเนินงานต่างๆ ข้อมูลของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถแบ่งออกได้เป็น 2 ประเภท • ข้อมูลจากการดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์แบบกะ ในการทดลองเก็บข้อมูลของเครื่องปฏิกรณ์แบบกะ ตัวแปรต่างๆ ดังเช่น ความเข้มข้น ความดัน และปริมาตร ถูกวัดและบันทึกที่เวลาต่างๆ ในช่วงเวลาของการเกิดปฏิกิริยา • ข้อมูลจากการดำเนินการในเครื่องปฏิกรณ์แบบต่อเนื่อง ข้อมูลที่ได้ถูกวัดและบันทึกที่สภาวะคงตัว ซึ่งความเข้มข้นของผลิตภัณฑ์ถูกวัดที่สภาวะในการป้อนเข้าเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกัน

  11. วิธีการหาสมการแสดงอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากข้อมูลการดำเนินงานเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบกะวิธีการหาสมการแสดงอัตราการเกิดปฏิกิริยาจากข้อมูลการดำเนินงานเครื่องปฏิกรณ์เคมีแบบกะ 1) วิธีดิฟเฟอเรลเชียล (Differential method) 2) วิธีการอินทิเกรต (Integral method) 3) วิธีอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น (Initial rate method) 4) วิธีครึ่งชีวิต (Half life method)

  12. 1. วิธีดิฟเฟอเรลเชียล (Differential method) • วิธีนี้เหมาะกับปฏิกิริยาที่ผันกลับไม่ได้ (irreversible reaction) เราสามารถหาค่าอันดับปฏิกิริยากับค่าคงที่อัตราในการเกิดปฏิกิริยาได้โดยการแก้สมการของความเข้มข้นเทียบกับเวลา วิธีนี้สามารถประยุกต์ใช้เมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาเป็นฟังก์ชั่นของความเข้มข้นของสารเพียงตัวเดียว

  13. กรณีที่ปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารหลายตัวอาจใช้วิธีการมากเกินพอ (Method of excess) เข้ามาช่วยในการพิจารณาหาอันดับปฏิกิริยา ในการวิเคราะห์ ให้ปริมาณของสารที่ไม่สนใจมีความเข้มข้นสูงมากกว่าความเข้มข้นของสารที่สนใจมากๆดังเช่น • ถ้าความเข้มข้น • ถ้าความเข้มข้น

  14. วิธีการหาอันดับของปฏิกิริยาและค่าคงที่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยวิธีดิฟเฟอเรลเชียลทำได้โดยการจัดรูปสมการสมดุลมวลสารให้อยู่ในเทอมของค่าที่สามารถวัดได้วิธีการหาอันดับของปฏิกิริยาและค่าคงที่ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาโดยวิธีดิฟเฟอเรลเชียลทำได้โดยการจัดรูปสมการสมดุลมวลสารให้อยู่ในเทอมของค่าที่สามารถวัดได้ • ดังนั้นค่า และ k สามารถหาได้จากกราฟโดยการ plot ระหว่าง กับ

  15. แสดงความสัมพันธ์ของความเข้มข้นและอนุพันธ์ความเข้มข้นแสดงความสัมพันธ์ของความเข้มข้นและอนุพันธ์ความเข้มข้น เพื่อหาอันดับของปฏิกิริยา

  16. การหาค่าอนุพันธ์ของ • ซึ่งการหาอนุพันธ์ของ CA = f(t) สามารทำได้ 3 วิธี 1) วิธีการวาดกราฟ (Graphical differentiation) 2) วิธีการใช้สูตรในคำนวณ (Numerical differentiation formulas) 3) วิธีโพลิโนเมียล (Differentiation of a polynomial fit to the data)

  17. วิธีวาดกราฟ (Graphical method) ตัวอย่างการหาค่าดิฟเฟอเรลเชียลด้วยวิธีกราฟ

  18. การใช้สูตรในการคำนวณ Numerical Method สูตรในการหา แบบ 3 ช่วง จุดแรก จุดระหว่างกลาง จุดสุดท้าย

  19. การใช้โพลิโนเมียล • ในการหาความสัมพันธ์ [CA= f(T)] ในรูปของ nth order polynomial • โดยปกติการใช้ซอฟแวร์คอมพิวเตอร์ เช่น Excel หรือ POLYMATH ก็สามารถหาความสัมพันธ์ของสมการได้ ดังนั้นเมื่อทราบสมการข้างต้น (ai) เราก็สามารถหาอนุพันธ์ของสมการดังกล่าวในรูปได้ดังนี้

  20. ตัวอย่าง การหา Rate law ปฏิกิริยาของ triphenyl methyl chloride (trityl) (A) และ methanol (B) ความเข้มข้นเริ่มต้นของ methanol คือ 0.5 mol/dm3 Part (1) จงหาอันดับของปฏิกิริยาโดยขึ้นกับ triphenyl methyl chloride Part (2)เมื่อกฎอัตราของปฏิกิริยานี้ มีอันดับปฏิกิริยาเป็นอันดับหนึ่งของเมทานอล จงหาค่าคงที่ของปฏิกิริยา

  21. a) วิธีวาดกราฟ Graphical differentiation

  22. b) Finite difference method t = 0 t = 50 t = 100

  23. t = 150 t = 200 t = 250 t = 300

  24. c) Polynomial method (Use software to fit curve)

  25. 2. วิธีการอินทิเกรต (Integral method) • การใช้วิธีอินทิกรัลนี้จะต้องสมมติอันดับของปฏิกิริยาก่อน จากนั้นจึงทำการอินทิเกรทสมการอนุพันธ์ซึ่งใช้เป็นแบบสำหรับเครื่องปฏิกรณ์แบบกะ และจัดรูปสมการให้มีความสัมพันธ์เป็นสมการเชิงเส้นตรง • จากนั้นนำผลที่ได้จากการทดลองมาวาดกราฟเปรียบเทียบกับความสัมพันธ์กับข้อมูลที่ได้สมมติฐานหรือไม่ ถ้าไม่สอดคล้องให้ทำการสมมติอันดับปฏิกิริยาใหม่และตรวจสอบด้วยวิธีเดิม

  26. ตัวอย่าง การหา Rate law ปฏิกิริยาของ triphenyl methyl chloride (trityl) (A) และ methanol (B) ความเข้มข้นเริ่มต้นของ methanol คือ 0.5 mol/dm3 จงใช้วิธีอินทิกรัลเพื่อพิสูจน์ว่าปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นปฏิกิริยาอันดัสองเทียบกับ A และคำนวนหาค่าคงที่อัตรา (k’)

  27. แก้สมการอินทิเกรต ได้ดังนี้ เดาอันดับปฏิกิริยาของสาร A เป็น 2 วาดกราฟได้ดังรูปนี้ แสดงความสัมพันธ์ระหว่างส่วนกลับของความเข้มข้นและเวลา

  28. 3. วิธีการหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้น (Method of initial rate) • วิธีดิฟเฟอร์เรนเชียลและอินทิเกรล ไม่สามารถนำไปใช้ได้กับปฏิกิริยาผันกลับได้ (Reversible reaction) • วิธีการหาอันดับของปฏิกิริยาจากอัตราเริ่มต้น (Initial rate) จึงถูกนำมาใช้เนื่องจากที่เวลาเริ่มต้นยังไม่มีผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นหรือผลิตภัณฑ์เกิดขึ้นในปริมาณน้อยดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาจึงขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสารเริ่มต้นเท่านั้น • วิธีการหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นทำโดยการหาความชันของกราฟที่แสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มข้นกับเวลาที่เวลา t=0

  29. ตัวอย่างเช่น ถ้าอัตราการเกิดปฏิกิริยาเคมีสามารถแสดงได้ตามความสัมพันธ์ • ซึ่งสามารถจัดความสัมพันธ์ได้ว่า • ซึ่งจะเห็นว่าค่าความเข้มข้นเริ่มต้น (CA0) 1 ค่าจะให้ค่าอัตราเริ่มต้น (-rA0) 1 ค่า โดยการแปรค่า CA0หลาย ๆค่าก็จะได้ -rA0หลาย ๆ ค่าเช่นกัน จากนั้นเขียนกราฟเพื่อหาความสัมพันธ์ระหว่าง ln (-rA0) กับ ln CA0ก็จะได้ความชันที่มีค่าเท่ากับ หรืออันดับปฏิกิริยาและจุดตัดแกน y เท่ากับ ln k

  30. ตัวอย่าง วิธีการหาอัตราเริ่มต้นในปฏิกิริยาของแข็งกับของเหลวที่ละลายเข้าด้วยกัน ปฏิกิริยาการใช้กรดไฮโดรคลอริคไปย่อยสลายสารประกอบคาร์บอเนตที่เป็นของแข็งโดยปฏิกิริยาเป็นไปตามข้างล่างนี้ ให้หาอันดับของปฏิกิริยาเทียบกับกรดไฮโดรคลอริคจากข้อมูลที่แสดงได้ดังรูป ซึ่งดำเนินการแบบกะ ซึ่งกฎอัตราแสดงได้ดังสมการนี้ จากข้อมูลในการทดลองที่ได้สามารถหาอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นกับความเข้มข้นเริ่มต้นได้ดังตารางนี้

  31. แสดงความสัมพันธ์ของอัตราการเกิดปฏิกิริยาเริ่มต้นกับความเข้มข้นของ HCl เริ่มต้น

  32. 4. วิธีครึ่งชีวิต (Method of half-lives) • วิธีนี้ต้องทำ การทดลองหลาย ๆ ครั้ง ครึ่งชิวิต (Half-lives) ของปฏิกิริยาคือ เวลา (t1/2) ที่ทำให้ความเข้มข้นของสารตั้งต้น (CA0) ลดลงครึ่งหนึ่ง (CA0/2) จากค่าเริ่มต้น • ถ้าหาครึ่งชีวิตของปฏิกิริยาซึ่งเป็นฟังก์ชันของความเข้มข้นเริ่มต้นได้เราก็สามารถหาอันดับและค่าคงที่อัตราของปฏิกิริยานั้นได้ อย่างไรก็ตามถ้าปฏิกิริยามีสารตั้งต้น 2 ตัวทำปฏิกิริยากัน เราจะต้องใช้วิธีการ “Method of excess” ควบคู่ไปกับวิธีการครึ่งชีวิตเพื่อหากฏอัตรา

  33. ตัวอย่าง ปฏิกิริยาสลายตัวของสารอะเซทัลดีไฮด์ ในวัฏภาคแก๊ส เมื่อทำการทดลองในเครื่องปฏิกรณ์แบบ batch ปริมาตรคงที่และควบคุมอุณหภูมิไว้ที่ 1030 K โดยเปลี่ยนความดันรวมเริ่มต้นที่ค่าต่างๆ และวัดค่าครึ่งชีวิต ได้ตามตารางข้างล่างนี้ จงกำหนดสมการอัตราเร็วปฏิกิริยาจากข้อมูลข้างล่างนี้ สารทำปฏิกิริยาเริ่มต้นมีเฉพาะอะเซทัลดีไฮด์

  34. แสดงความสัมพันธ์ระหว่างค่า lnt1/2กับ lnCA0

More Related