Reactoare chimice cu curgere piston (ideala) (Plug Flow Reactor – PFR) cu amestecare completa (Mixed Flow Reactor – MFR) de tip batch (autoclava) Reactorul cu curgere ideala Toate particulele se deplaseaza intr-o directie de-a lungul reactorului, precum un piston, fara a se amesteca cu cele care le preceda sau care urmeaza in flux. Toate particulele se caracterizeaza prin acelasi timp de rezidenta: τ = V/QV = H/w in care V = volumul reactorului (m3); QV = debitul volumic de alimentare (m3/s); H = inaltimea reactorului (m); w = viteza liniara de curgere a amestecului de reactie (m/s). Concentratiile reactantilor si, deci, viteza de reactie scad de-a lungul reactorului. Gradul de conversie creste pe lungimea reactorului. Temperatura se modifica de-a lungul reactorului: opereaza fie in regim adiabatic fie in regim politermic. The plug-flow reactor may be operated in the differential or the integral mode. Differential flow reactors The integral plug-flow reactor

In general in a laboratory reactor, in contrast to an industrial reactor, the depth of the catalyst bed is small, so that the reactor has a behavior intermediate between that of a plug-flow and a back-mixed flow reactor.

Fie un element de volum dV din reactorul cu curgere ideala in care are loc reactia A → D.

Inaltimea corespunzatoare este dH, iar timpul de rezidenta este dτ. Daca la intrarea in elementul de volum dV gradul de conversie este xA, cantitatea de produs D in amestecul de reactie, G0, concentratia produsului D, CD0, iar concentratia reactantului, CA0, la iesire acestea vor fi xA + dxA, G0 + dG, CD0 + dCD si, respectiv, CA0 – dCA. Viteza procesului poate fi descrisa de oricare dintre rapoartele:

;d

dG ;

d

dCA ;dV

dx ;

dV

dCA etc.

Ecuatia bilantului de materiale pe elementul de volum dV va fi:

rxoutin GGG

Ax

A

AA

V u

dxC

Q

V

00

Ultima relatie reprezinta ecuatia caracteristica a reactorului cu curgere ideala. Daca cinetica reactiei este cunoscuta, utilizand ecuatia caracteristica se poate determina timpul de rezidenta si apoi volumul reactorului pentru un debit de alimentare si un grad de conversie date, sau capacitatea de productie a reacorului, QV/τ, pentru un volum al reacorului si un grad de conversie date etc.

Pentru reactia ireversibila A → D, ecuatia caracteristica se scrie:

AAA x

nA

AnA

x

nA

nA

AA

x

nA

AA

V x

dx

kCxkC

dxC

kC

dxC

Q

V

01

00 )1(

1

)1(00

00

Daca reactia este de ordinul 0, i.e. n = 0, ecuatia caracteristica devine: Daca reactia este de ordinul 1, i.e. n = 1, atunci Daca reactia este insotita de o modificare de volum, volumul V corespunzator unui grad de conversie xA este

)1(0 AxVV

unde β = modificarea relativa a volumului sistemului cand conversia se modifica de la 0 la 1.

0

01

A

AA

x

xx

V

VV

This parameter takes into account the presence of inerts, the use of nonstoichiometric quantities of reactants, and the presence of one or more of the reaction products in the original system. Pentru o reactie de ordin zero

k

xC AA0

iar pentru o reactie de ordinul n = 1

])1ln()1[(1

AAA xxxk

Un reactor real opereaza intotdeauna in conditii de amestecare incompleta, insa in unele reactoare industriale gradul de amestecare este atat de scazut incat se poate folosi pentru calculele tehnice modelul cu curgere ideala. Exemple: Reactoare catalitice tubulare similare schimbatoarelor de caldura de tip “teava in teava”, cu

catalizatorul in tevi sau in spatiul intertubular, pentru reactii in faza gaz.

Reactoare tubulare pentru reactii in faza lichida cu raport mare H/d, utilizate in sinteza

organica industriala. Coloane cu umplutura Sobe de sinteza in faza omogena (Ex. HCl)

Reactorul cu amestecare completa Reactantii sunt supusi unei agitari intense. Particulele de reactanti introduse in reactor sunt imediat amestecate cu particulele deja existente => distributie uniforma in volumul aparatului. Variabilele procesului: concentratii, grad de conversie, viteza de reactie ating imediat valoarea finala, constanta de-a lungul reactorului. Opereaza intotdeauna in conditii izoterme. Timpul mediu de rezidenta al particulelor din amestecul de reactie este: τ = V/QV = H/w Timpul de rezidenta pentru o particula individuala poate varia intre 0 si infinit.

Ecuatia caracteristica se deduce din bilantul de materiale pe intreg reactorul (intrucat concentratia reactantului este constanta pe intreg volumul reactorului). Astfel, pentru reactantul A se poate scrie:

rxoutin GGG

A

AA

V u

xC

Q

V0

ce reprezinta ecuatia caracteristica reactorului cu amestecare perfecta. Tinand seama ca gradul de conversie pentru reactii fara modificare de volum se scrie:

0

0

A

AAA C

CCx

atunci

A

AA

u

CC 0

Exemple: Reactoare cu sisteme de amestecare folosite in procese omogene lichide sau procese

eterogene lichid-solid (suspensii), lichid-lichid (emulsii) si gaz-lichid.

Reactoare cu strat fluidizat.

Reactoare catalitice cu strat fix, de dimensiuni mici. Reactoare ciclon (arderea sulfului sau prajirea piritelor).

Pentru reactoarele cu amestecare completa precum si pentru reactoarele cu curgere ideala, dimensiunile reactorului, viteza de curgere a reactantilor, concentratiile initiale si finale sau gradul de conversie pot fi determinate doar daca cinetica reactiei este cunoscuta.

Cascada de reactoare cu amestecare completa Viteza de reactie in reactorul cu amestecare completa este mica => pentru a obtine conversii mari trebuie utilizate reactoare de dimensiuni mari. => Se impune utilizarea unui lant de reactoare cu amestecare completa: compozitia amestecului de reactie se modifica prin trecerea de la un reactor la altul.

Un numar suficient de mare de reactoare in cascada => aceeasi conversie ca in reactorul cu curgere ideala. Pentru a determina numarul teoretic de reactoare dintr-o cascada se utilizeaza fie metoda algebrica fie metoda grafica. Metoda algebrica Pentru o reactie ireversibila de ordinul intai A → B: Pentru o cascada cu m reactoare cu volume egale V, la temperatura constanta, se obtine:

m

AA k

CC

m )1(0

Aceasta ecuatie poate fi folosita pentru calculul concentratiei la iesirea din fiecare reactor al cascadei precum si a numarului de reactoare dintr-o cascada necesare pentru a obtine un anumit grad de conversie:

)1log(

log 0

kC

C

m mA

A

Reactorul de tip batch (autoclava) In reactor este incarcata o cantitate definita de reactanti. Reactantii raman in reactor pana se atinge gradul de conversie dorit. Modificarea concentratiei reactantilor in timp este similara cu cea din reactorul cu curgere ideala:

Conditiile de regim se modifica in timp Este politermic in functie de timp. Ecuatia caracteristica a reactorului de tip batch se deduce din bilantul de materiale:

rxac GG

Ax

A

AA u

dxC

00

Aceasta reprezinta ecuatia caracteristica a reactorului de tip batch cu amestecare completa fiind similara cu cea corespunzatoare reactorului cu curgere ideala. Este utilizata pentru a determina timpul necesar pentru atingerea unui grad de conversie dat.

Functionarea reactorului implica un ciclu de operatii: incarcarea – conversia chimica – descarcarea.

Dezavantaje: Utilizarea reactoarelor de tip batch Se recomanda in procese la scara mica:

Reactoare chimice - rezumat

Aplicatii de calcul