19.Pojmy: reakční rychlost, řád reakce, rozsah reakce, konverze složky, rychlostní a rovnovážná konstanta. Závislost reakční rychlosti na teplotě. Materiálové bilance vsádkového reaktoru.

Reaktory – zařízení, ve kterém probíhá chemická, biochemická nebo mikrobiologická přeměna surovin na produkty – reakce. Při popisu reaktorů vycházíme z materiálových a entalpických bilancí.

Podle počtu fází dělíme reaktory

• Homogenní – obsahují jednu fázi

• Heterogenní – v nichž může reakce probíhat na fázovém rozhraní, pouze v jedné fázi nebo v obou fázích

Dále rozlišujeme

• Katalytické

• Nekatalytické

• Vsádkové

• Průtočné

• Polovsádkové

V závislosti na charakteru toku

• Reaktory ideálně míchané

• Reaktory s pístovým tokem

• Reaktory s nedokonalým mícháním

Chlazení v reaktoru

• Odpařování kapaliny v reaktoru

• Přívod studeného reaktantu či inertu

• Chladicí had v reaktoru

• Chlazení pláštěm reaktoru

Chemická kinetika nevratné reakce

Reaktanty  produkty

Alternativa : 0 = reaktanty + produkty

• ν_i stechiometrické koeficienty, podle úmluvy platí, že u produktů jsou kladné a reaktantů záporné

• reakční rychlost složky r_i – rychlost změny látkového množství složky _i v jednotkovém objemu reakční směsi V v důsledku chemické reakce

, reakční rychlost reaktantů je záporná a produktů kladná

• rychlost chemické reakce r udává látkové množství přeměn reaktantů na produkty v jednotkovém objemu reakční směsi za jednotku času

Reakční rychlost reakcí v homogenní směsi se nejčastěji uvažuje v tzv. mocninovém tvaru

součin rychlostní konstanty k a koncentrací reaktantů umocněných koeficienty a_i, ten nemusí být přirozeným číslem a nazýváme jej řádem reakce vzhledem k i-té složce, řády reakce jsou shodné s absolutními hodnotami stechiometrických koeficientů reaktantů

• celkový řád reakce a – součet řádů reakce vzhledem k jednotlivým reaktantům

• rychlostní konstanta k závisí na teplotě podle Arrheniovy rovnice, roste se zvyšující se teplotou

k∞…frekvenční faktor, E_{a­­­­­­}...aktivační energie, R …plynová konstanta

Průběh reakce

• rozsah reakce – kvantitativní charakteristika proběhlé reakce, udává změnu složení reakční směsi

kde Δn_ir je látkové množství i-té složky vzniklé chemickou reackí

pro vsádkový system (rozsah reakce, konverze složky)

• rozsah reakce vztažený na jednotku času souvisí s R – extenzivní reakční rychlost

v ideálně míchaném průtočném reaktoru pak

• konverzí reaktantu rozumíme relativní množství reaktantu, které zreagovalo v dané reakci

Vsádkový ideálně míchaný reaktor

• látkové bilance složek ve vsádkovém reaktoru získáme

• pokud je objem reakční směsi v průběhu reakce konstantní, získáme zjednodušením předchozí rovnice

• bilance entalpie

• d oba jednoho cyklu ve vsádkovém reaktoru je součtem doby napouštění reaktoru τ_p, vlastní reakce τ_r a doby vypouštění reaktoru τ_V

20 Materiálové bilance průtočného ideálně promíchávaného reaktoru a trubkového reaktoru.

Průtočný ideálně míchaný reaktor

• Konstantní objem V, v ideálním mísiči je ve všech místech reakční směsi stejná koncentrace složek c_i a teplota T

• Reaktor může mít několik vstupních a výstupních proudů

• l átková bilance pro každou složku v reakční směsi

Akumulace = vstup – výstup + zdroj

(levá strana je rychlost akumulace složky, složky na pravé straně – látkový vtok složky, výtok složky a rychlost vzniku/zániku složky)

• V ustáleném stavu je akumulační člen nulový, dále je v ustáleném stavu stejný objemový průtok na vstupu i výstupu reaktoru, pokud se hustota reakční směsi neliší od hustoty výstupního proudu, poté

kde V/V – je střední doba prodlení v reaktoru

• Pokud není znám reakčně-kinetický model nutný k výpočtu reakční rychlosti nebo objem reaktoru V, lze za ustáleného stavu použít

kde rV=ξ

• Rovnice pro teplotu v míchaném průtočném reaktoru

- je také označována za entalpickou bilanci

kde K_T je koeficient přestupu tepla, T_c je teplota tekutiny v plášti reaktoru

• V ustáleném stavu

Trubkový reaktor s pístovým tokem

• Reakční směs se pohybuje v jednom směru, aniž by přitom docházelo k jejímu promíchávání ve směru toku

• Zdržení v reakční zóně je pro všechny elementy reakční směsi stejné, s tímto charakterem toku se setkáváme v trubkovém reaktoru, jehož délka trubky značně převyšuje její průměr a rychlost proudění je poměrně velká

• látková bilance pro i-tou složku v objemu reakční směsi ΔV=(SΔz) za bilanční období Δτ

• při stacionárním stavu

• jestliže reakční směs proudí s konstantním objemovým průtokem V=vS, pak se rychlost v podél axiální souřadnice z nemění a získáme látkovou bilanci složky

• délková souřadnice z má tedy v trubkovém reaktoru podobný význam jako čas τ ve vsádkovém reaktoru, pro reakci prvního řádu A s rychlostí reakce r=kc_A získáme pro počáteční podmínku c_A=c_A0 řešení bilance složky pro vsádkový reaktor

Podobně získáme řešením bilance trubkového reaktoru pro vstupní koncentraci c_A0 řešení

kde L…délka reaktoru, c_AL je koncentrace na výstupu z reaktoru

• entalpická bilance

J_i=vc_i

λ...tepelná vodivost reakční směsi

K_T je koeficient prostupu tepla

Pro stacionární stav platí

53