UNIVERZITET U ZENICI
FAKULTET ZA METALURGIJU I MATERIJALE
_________________________________________________________
Predmet: Hemijski reaktori
Ak.g: 2014/2015
SEMINARSKI RAD
EKSPERIMENTALNE METODE U KINETICI.
KINETIČKI EKSPERIMENT I REAKCIJSKI
SISTEM.
Student: Ilda Akeljić Profesor: Doc.dr.sc Asim Ibrahimagić
Zenica, novembar 2014.
3
U ovom razmatranju treba napomenuti da navedena podjela ne uključuje i energetsku
zatvorenost sistema, tj. energija, uglavnom toplina, može se izmjenjivati sa okolinom. To je
bitna razlika u odnosu na termodinamičko definiranje zatvorenog sistema. U drugu grupu
ulaze sve ostale vrste reaktora kod kojih je bitna karakteristika da se za
vrijeme reakcije izmjenjuje određena količina reakcijske mase s okolinom. To može značiti da
se reeaktanti dodaju u toku reakcije postepeno u reaktor ili kontinuirano ulaze, ili da se
produkti za vrijeme reakcije odstranjuju ili samo jedan dio. Najvažniji tipovi unutar ove grupe
su tzv. cijevni i protočni kotlasti reaktori (PKR).
Slika 1.2. Reaktor kao otvoreni sistem: cijevni (a) i PKR (b)
S obzirom na vremensku zavisnost parametara i veličina stanja svi reaktori mogu se
podijeliti u dvije skupine. U prvoj skupini te su veličine nezavisne od vremena, odnosno
njihova vremenska promjena je jednaka 0. Kaže se da reaktori tada rade u stacionarnom
stanju.
Razumljivo
je
da
samo
ovi
reaktori koji ulaze u osnovnu skupinu otvorenih sistema mogu, ali ne moraju raditi u
stacionarnom stanju. U zatvorenom sistemu kao što je kotlasti reaktor, nije moguće zamisliti
da
veličine
stanja reaktora ne zavise od vremena. To je logično jer je hemijska reakcija proces bez obzira
na njenu brzinu. S toga je kotlasti reaktor uvijek u nestacionarnom stanju. Unutar reaktora
veličine stanja mogu imati s obzirom na položaj, različite ili iste
vrijednosti. Na osnovu tih kriterija mogu se svi tipovi reaktora podijeliti u dvije velike
skupine. U prvoj se skupini nalaze svi oni reaktori kod kojih su vrijednosti parametara
zavisnih veličina npr. brzine reakcije, koncentracije ili temperature nezavisne od položaja
unutar reaktorskog prostora. Kaže se da su to reaktori s dobrim ili idealnim miješanjem.
Tipični su predstavnici te skupine kotlasti i PKR reaktori. Treba spomenuti da tvrdnja o istim
vrijednostima
parametara
i
veličina
stanja
u
bilo
kojoj tački reaktorskog prostora strogo vrijedi samo za homogene sisteme, kod kojih se
miješanje može provesti na molekulskoj razini. Ako su u pitanju heterogeni sistemi, npr. ako
su čestice krutog katalizatora dobro miješanje unutar tekućine tada se na mikro razini mogu
razlikovati vrijednosti koncentracije reaktanata u tečnoj fazi unutar zrna katalizatora.
Reaktore koji su dobro miješani možemo smatrati sistemima sa usredotočenim
parametrima. Za određivanje vrijednosti neke veličine stanja, npr. koncentracije, potrebno je
izvršiti samo jedno mjerenje i to u bilo kojoj tački reaktora. Iz tog dvojstva proizilaze važne
osobine te skupine reaktora, posebno u vezi izbora reaktora i njihovog upravljanja.
U drugu skupinu ulaze svi oni reaktori kod kojih se veličine stanja mijenjaju od tačke
do tačke unutar reaktorskog prostora. Najvažniji predstavnik te skupine je cijevni reaktor.
4
1.2. Bilance mase, množine tvari i topline
Ako se žele kvantitativno iskazati odnosi koji postoje između reaktorskih zavisnih i
nezavisnih veličina potrebno ih je povezati u bilančne jednadžbe koje iskazuju osnovne
zakone o neuništivosti materije i energije. Bitna razlika u postavljanju bilanca za reaktor od
bilanca mase za sistem bez reakcije, npr. za jednostavni mješač, nalazi se u prisutnosti
hemijske reakcije. Osnovne zavisne veličine u reaktoru su koncentracije sudionika i
temperatura. Prema tome, promjena sastava reakcijske smjese nije uzrokovana samo
unošenjem komponenata u reaktor već uglavnom zbog hemijskc reakcije kojom se mijenjaju
množine tvari svakog sudionika. Bilanca mase je jednoznačno povezana sa bilancom
komponente preko stehimetrijskih odnosa. Bilanca energije za reaktor se uglavnom svodi na
bilancu
topline.
Naime,
u
reaktoru
uslijed hemijske reakcije, dolazi do nastajanja, odnosno gubitka topline a isto tako se toplina
izmjenjuje s okolinom (reaktor se grije ili hladi). Drugi oblici izmjene energije su zanemarivi.
Neki put dolazi u obzir promjena energije uslijed pada pritiska kroz sloj katalizatora, no to su
samo posebni slučajevi. Prema tome postavlja se općenito samo bilanca topline, a potrebno je
naglasili da je dovoljno samo jedna bilanca, bez obzira koliko se hemijskih reakcija odigrava -
naime, toplina se ne može "razlikovati" prema izvoru odakle je potekla.
U ove napomene opće bilance su, riječima iskazane:
a) Opća bilanca mase
-
=
b) Bilanca množine tvari A
-
±
=
Očigledno je da predznak ispred trećeg člana u jednačini zavisi o tome da li je
komponenta A reaktant ili produkt.
c) Bilanca topline
- ±
=
Masa unijeta u reaktor u
dif.vremenu u dif.volumen
Masa iznijeta iz reaktora u
dif.vremenu iz dif.volumen
Akumulacija mase u
dif.vremenu u dif.volumen
Množina tvari A unijeta u
dif.vremenu u dif.volumen
reaktora
Množina tvari A iznijeta u
dif.vremenu iz dif.volumena
Množina tvari A nastala
(nestala)hemijskom
reakcijom u dif.vremenu u
dif.volumenu reaktora
Akumulacija tvari A u
dif.vremenu i dif.volumenu
reaktora
Količina topline dovedena
u dif.vremenu u
dif.volumen reaktora
Količina topline odvedena
u dif.vremenu iz
dif.volumen reaktora
Količina topline nastala
(nestala ) hemijskom
reakcijom u dif.vremenu
u dif.volumen reaktora
Akumulacija topline u
dif.vremenu i dif.volumenu
reaktora
6
1.3.2. Kotlasti reaktor
Kotlasti reaktor se često sreće u industriji za provedbu velikog broja reakcija,
pretežno u tečnoj fazi. Konstruktivno je izveden najčešće u obliku zatvorenog kotla,
snabdjevenog miješalicom, sa otvorima kroz koje se reakcijska smjesa unosi, odnosno iznosi,
te plaštem (ili zmijačom) za izmjenu topline, zagrijavanje ili hlađenje. Jasno je da je ovo samo
primitivna slika realnog sistema koji sadrži mnogo više potrebnih elemenata zavisno o vrsti
reakcije, kontroli, vođenju, regulaciji, izmjeni topline te sigurnosti na radu.
Od PKR reaktora razlikuje se u osnovi samo po tome što nema uređaja za
kontinuirano uvođenje i izvođenje reakcijske smjese. Na slici shematski je prikazan idealni
kotlasti reaktor s naznačenim najvažnijim značajkama.
Slika 1.3. Idealni kotlasti reaktor
Uz pretpostavke koje su ranije spomenute, model idealnog kotlastog reaktora
posjeduje slijedeće značajke:
- Sastav reakcijske smjese je u svakoj tački isti. reaktor je homogen. To se odnosi i na
heterogene sisteme proširujući pojam tačke na elementarni ( dovoljno mali ) volumen. Prema
tome, bilance se mogu postaviti za reaktor kao cjelinu, a ne samo za diferencijalni volumen.
- U kotlastom reaktoru sve veličine stanja zavise o vremenu. Prema tome sastav
reakcijske smjese, brzina hemijske reakcije i količina oslobođene ( utrošene ) topline uslijed
hemijske reakcije su vremenski promjenljive veličine. Kod idealnog kotlastog reaktora jedino
se temperatura u reaktoru ne nijenja sa vremenom.
- Model "idealnog" kotlastog reaktora sadrži pretpostavku da je volumen reakcijske
smjese stalan i nezavisan o vremenu tj. nema promjene gustoće.
Matematički model reaktora čine bilance množine tvari i topline. Pretpostavimo u
najjednostavnijem slučaju da se u reaktoru odigrava samo jedna reakcija.
Ovdje treba napomenuti sljedeće:
S prvim slovima abecede A, B, C, D dogovorno se označavaju reaktanti, a
sa zadnjim R, S, T produkti u nekoj reakciji. Ako je s A označen reaktant, njegova je
akumulacija negativna, odnosno količina komponente A se tokom vremena smanjuje.
Prema tome, matematički izražena jednačina glasi:
r
A
V
=
dn
A
dt
Ovdje treba samo općenito reći da su uobičajene jedinice za brzinu hemijske reakcije
mol s
-1
m
-3
.
Od opće bilance topline ostaju sljedeći članovi:
