Upload
champ1909
View
239
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
1/27
1. GR
Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm hemen hemen btn endstriyel kimyasal retiminin
kalbidir. Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm bilgisi, kimya mhendislerini dier
mhendislerden ayran en nemli bilgidir. ok gvenli ve verimli olarak alan bir tepkimesisteminin seimi kimyasal madde reten bir fabrikann ekonomik baarsnn veya
baarszlnn anahtar olabilir.
ndstriyel proseslerde en ok k!llanlan reaktr tipi srekli olarak kartrlan ve alan
bir tanktr. "! tip reaktrler tam kartrmal tank reaktr #$%&'( veya geri kartrmal
reaktr #")'( olarak bilinir.
Kesiksiz ve geri beslemeli #$%&'( reaktrlerden baka endstride en ok k!llanlan dier
bir reaktr tipi bor!sal reaktrdr. "! silindir eklinde bir bor!dan ibarettir ve normalde$%&' gibi karar bir halde alr.
"ize verilen tasarm devinde tepkimemiz piston akl bir reaktrde gereklemektedir.
&epkime yksek basn altnda sv fazda *+ K s-aklkta gereklemektedir ve spesifik
tepkime hz / h01olarak verilmitir. 2dyabatik olarak yryen tepkime ieriinin 3 1 4!
inert davran sergilemektedir. &epkime sonrasnda 1 kmol5gn kapasite ve ./ dnm
istenmektedir. "! tepkime iin gerekli olan 62' tasarmn gerekletirmemiz
beklenmektedir.
1
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
2/27
2. KURAMSAL TEMELLER
2.1. GR
Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm hemen hemen btn endstriyel kimyasal retiminin
kalbidir. Kimyasal kinetik ve reaktr tasarm bilgisi, kimya mhendislerini dier
mhendislerden ayran en nemli bilgidir. ok gvenli ve verimli olarak alan bir tepkime
sisteminin seimi kimyasal madde reten bir fabrikann ekonomik baarsnn veya
baarszlnn anahtar olabilir. 7rnein, eer bir tepkime sistemi ok miktarda istenmeyenrn verirse, sonradan yaplmas gereken asl rnn ayrlmas ve saflatrlmas tm prosesi
ekonomik olarak imkansz hale getirir.
Kimyasal tepkime mhendislii kon!lar, mekanizma ile birlikte kimyasal tepkimelerin
ol!ma hzlarn ve tepkimenin ilerleyiini kontrol eden hz snrlay- basamaklarn
kapsamaktadr. 8retim amalarna !laabilmek iin kimyasal reaktrn bykl nemli bir
kon!d!r. "ir kimyasal proses tasarm-s iin, reaktr iindeki maddelerin hem kimyasal hem
de fiziksel olarak nasl davrand, kimyasal reaktrlerden elde edilen verilerin naslkaydedildii, ilendii ve yor!mland kadar nemlidir.
Kimyasal tepkime hzlar ve reaktr tasarmn etkileyen ko!llar belirtilmeden n-e, bir
tepkime sistemine giren ve kan eitli kimyasal trlerin aklanmas gerekir. %z kon!s!
olan b! d!r!m, tepkimeye giren sistem iindeki her bir tr hakkndaki btn mol
denkliklerinin k!r!lmasyla salanr. &epkimeye giren, kan veya tepkime sistemi iinde
tepkimeye girmeden kalan herhangi bir tre !yg!lanabile-ek genel bir mol denklii
gelitirilmitir. &epkime hz, 0r2, tanmlandktan sonra ve tepkime hzn !yg!n bir ekilde
tanmlarken ortaya kan zorl!klar gz nne alnarak genel denklik eitlii, en ok bilinen
endstriyel reaktrler olan kesikli, srekli kartrlan tank #$%&'( ve bor!sal reaktrler iin
esas tasarm eitliklerinin karlmasnda nemli rol oynamaktadr.
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
3/27
2.2. KMYASAL KNETK VE REAKTR TASARIMI
2.2.1 MOL DENKLKLER
2.2.1.1 Tepkime Hz! "#A! T$m"ir kimyasal trn yani belli bir kimlie sahip olan bir kimyasal bileik veya elementin
kimlii o trn atom eidi, says ve dizilii #konfigrasyon!( tarafndan belirlenir.
9ki kimyasal bileik tam olarak ayn sayda ayn elementlerden meydana gelse bile, onlar
farkl dizililerinden dolay yine de iki farkl tr olabilir. 7rnein, 0bten , drt karbon ve
sekiz hidro:en atom!na sahiptir fakat b! bileikteki atomlar $is00bten ve &rans00bten
eklinde iki farkl molekl ol!t!rabilir. ;arkl diziliin bir son!-! olarak, b! iki izomer
farkl kimyasal ve fiziksel zellikler gsterirler. "elirlenebilir sayda bir veya birok trnkimliini kaybettii veya bileikteki atomlarn say ve trlerinde veya b! atomlarn yapsnda
ve dzeninde bir deiiklik son!-! yeni bir yap ol!t!! zaman kimyasal tepkime meydana
gelmi demektir.
"! klasik kimyasal yaklamnda, 4 bir kimyasal tepkime old!! zaman toplam ktlenin
ne yok old!! ne de yoktan var old!!< kab!l edilmitir. %z edilen ktle sistemde b!l!nan
btn trlerin toplam ktlesidir. ;akat, belli bir tepkimede tek tek b!l!nan her bir tr
dnld zaman, belli bir trn ktlesinin kaybolma hzndan sz edilir. Ksa-a belirtmekgerekirse, molekller kimyasal kimliklerini kaybettikleri zaman, belli bir trn bir veya belli
sayda molekl tepkimeye girer veya kaybol!r.
=etero:en tepkime sistemlerinde, tepkime hz genellikle tepkime yzey alan veya
katalizr arl lmleri -insinden ifade edilmektedir. "!na gre, kat0gaz katalitik
tepkimesi iin b! hzn boy!t!, 0r2#mol5g.katalizr.s(, katalizrn birim ktlesi bana birim
zamanda tepkimeye giren 2< nn mol saysdr.
Kimyasal tepkime hznn matematiksel tanm yllardr kimya ve kimya mhendislii
literatrnde bir karkln nedeni olm!t!r. "! karkln asl nedeni, kimyasal tepkime
hz verilerini elde etmek iin laborat!ar lekli deneylerin yaplmasndan ileri gelir. "! ilk
deneyler tepkime kab kapal ve sabit olan kesikli tip deneylerdir. "!n!n son!-! olarak
meydana gelen tepkime de sabit ha-im altnda olmaktadr. &epkime girdileri t> annda hep
birlikte kartrlp girdilerden birinin deriimi, $2, deiik t zamanlarnda llmektedir.
&epkime hz zamann bir fonksiyon! olarak $2 erisinin eiminden belirlenir. "irim
ha-imdeki 2< nn ol!!m hz r2ol!rsa o zaman kimyasal tepkime hz?
r2> d$25 dt
*
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
4/27
olarak tanmlanr. ;akat b! tanm sade-e sabit ha-imli kesikli reaktrler iin k!llanlr.
Kimyasal tepkime hz bir iddet bykldr ve s-aklk ile deriime baldr. &epkime
hz eitlii aslnda deriim ieren bir -ebirsel eitliktir, diferansiyel eitlik deildir. 7rnein,
rnlerAtepkimesinin @r2hz eitliinin -ebirsel ekli
0r2> k$2
deriiminin dor!sal bir fonksiyon! olabilir,
0r2> k1$25 #1Ak$2(
gibi dier birka deriimin -ebirsel fonksiyon! olabilir.
2.2.1.2 Gee% M&% Dek%ik E'i(%i)i
=erhangi bir sistem iin bir mol denklii k!rmak iin ilk n-e sistemin snrlar
belirlenmelidir. "! snrlar tarafndan evrilen ha-im sistem ha-mi olarak ifade edilmektedir.
"ir sistem ha-mindeki : trne gre mol denklii k!r!l!r.
=erhangi bir t zamannda : tr iin mol denklii aadaki denklii verirB
%isteme giren %istemde kimyasal :< nin sistem :< nin sistemdetrlerin ak A tepkime ile ol!an 0 dna k > birikme hz
hz :< nin ol!ma hz hz
;:oA C:@ ;:> dD:5 dt
"!rada, D: , t annda sistemdeki : trnn mol saysdr. er, tm sistem deikenleri
#rnein s-aklk, katalizr aktiflii, kimyasal trlerin deriimi( sistemin batan sona tm
ha-minde ayn ol!rsa, : trnn ol!!m hz, C:, tepkime ha-mi E ile : trnn ol!!m hz
r: r:E
&epkimeye giren madde zelliklerinin #rnein deriim, s-aklk( reaktrdeki farkl
kon!mlarda farkl deerlere sahip olmalarndan dolay, r: , dor!dan kon!m!n!n bir
fonksiyon!d!r.
=erhangi bir E sistem ha-mine giren, kan, tepkimeye giren veya biriken bir : kimyasal
tr iin genel mol denklik eitliinin integral eklini elde etmek iin C: eitlikte yerine
kon!rsa?
;:o@ ;:A F r:dE > dD:5 dt
G
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
5/27
"! genel mol denklik eitliinden kesikli, yar kesikli, kesiksiz ak reaktrleri gibi eitli
tipteki endstriyel reaktrlerin tasarm eitlikleri gelitirilir. "! eitlikleri deerlendirerek,
girdilerin belli miktarlarn rnlere dntrmek iin gereken zaman #kesikli reaktrlerde(
veya reaktr ha-mi #kesiksiz ak reaktrlerinde( belirlenir.2.2.1.* Ke+ik%i ,-$(/0 Re$k(#%e#
Kesikli bir reaktrde tepkime ol!rken girdi veya rnlerin ne ie dor! ne de da dor!
bir ak vardr? b! nedenle ;:o> ;:> ol!r. : tr iin elde edilen genel mol denklii,
dD:5dt > F r:dE
eklindedir. er, tepkime karm tm reaktr ha-mi boy!n-a tepkime hznda hibir
deiiklik olmaya-ak ekilde tam kartrlrsa, o zaman r:sabit old!! iin integral dna
alnarak mol denklii aadaki gibi ol!rBdD:5 dt > r:E
Caz tepkimeleri iin kesikli reaktrler
Hekilde, gaz faz tepkimeleri iin k!llanlan iki tip kesikli reaktr gstermektedir.'eaktr 2 sabit ha-imli #deiken basnl( reaktr ve reaktr " ise sabit basnl #deiken
ha-imli( reaktrdr. t> annda tm girdiler reaktre verilir ve tepkime balar.
2.2.1. Ke+ik+iz Ak' Re$k(#%e#i
T$m K$#'(#m$% T$k Re$k(# ,3STR0
ndstriyel proseslerde en ok k!llanlan reaktr tipi srekli olarak kartrlan ve alan
bir tanktr. "! tip reaktrler tam kartrmal tank reaktr #$%&'( veya geri kartrmal
reaktr #")'( olarak bilinir. $%&' normalde kararl halde iler ve genellikle old!ka iyi birkartrma salanr. "! son zelliin bir son!-! olarak, $%&' genel olarak kabn her
-$+4%4e#
H$#eke(%ipi+(&
A
-
/
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
6/27
yerindeki deriim, s-aklk ve tepkime hznda herhangi bir kon!msal deime olmayan
reaktrlere rnek alnr. %-aklk ve deriim tepkime kabnn her yerinde ayn olmasndan
dolay, tankn k noktasndaki s-aklk ve deriim de dier yerlerle ayndr. "!na gre,
k akmndaki s-aklk ve deriim ile reaktr iindeki deriim ve s-akln ayn old!!kab!l edilir. Kartrmann ok ideal yani tam olmayan sistemlere tam kartrmal model
!yg!n deildir ve anlaml son!larn elde edilmesi iin alkon!lma sresi dalm gibi baka
modelleme tekniklerine bav!r!lmas gerekir.
;:o@ ;:A F r:dE > dD:5 dt
eklindeki genel mol denklik eitlii kararl halde alan bir $%&' reaktrne
!yg!land zaman,
dD: 5 dt > ol!r.
&epkime hznda kon!msal bir deime olmaz yani, F r:dE > Er: dir. "! $%&' iin
tasarm eitlii olarak bilinen allm?
E> #;:o@ ;:( 5 0r: eklini alr.
$%&' tasarm eitlii, : trnn giriteki ;:oak hzn ktaki ;:hzna indirmek iin
gereken ha-mi verir. $%&' de k akmndaki ko!llar #rnein s-aklk( tank iindekiler
ile ayn olarak modellenmelidir. )olar ak hz ;:, :< nin deriimi ve ha-imsel ak hz E $:.E
Cirdiler
8rnler
&am kartrmal tank reaktr
+
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
7/27
-+$% Re$k(#
Kesiksiz ve geri beslemeli #$%&'( reaktrlerden baka endstride en ok k!llanlan dier
bir reaktr tipi bor!sal reaktrdr. "! silindir eklinde bir bor!dan ibarettir ve normalde
$%&' gibi karar bir halde alr."or!sal reaktrde girdiler reaktr boy!n-a akarken srekli olarak har-anr. "or!sal
reaktrn modellemesinde deriimin reaktr boy!n-a eksen ynnde srekli olarak deitii
kab!l edilir. %on! olarak, btn sfrn- mertebeden tepkimeler hari deriimin bir
fonksiyon! olan tepkime hz da eksen boy!n-a deie-ektir.
;:o@ ;:A F r:dE > dD:5 dt
6;'< nin tasarm eitliini gelitirmek iin kavramsal olarak reaktr her birinin iinde
kon!msal olarak tepkime hz ayn olan alt ha-imlere, IE, ayrlr.
Iy
;:o ;:
y Iy
IE
;:#y( ;:#yA Iy(
67R
y !zaklndaki IE alt ha-minin giriinde : trnn molar ak hz ;:#y( ile #yAIy(
!zaklndaki IE ha-minin kndaki molar ak hz da ;:#yAIy( ile gsterilirse, kon!msal
olarak !niform olan IE alt ha-minde?
F r:dE > r:IE
ol!r. Kararl halde alan bir bor!sal akm reaktrnde, dD: 5 dt > old!!ndan?
;:#y(@ ;:#yAIy(A r:IE >
ol!r. "! nedenle r:, y< nin dolaysyla bir fonksiyon!d!r. Jaha dor!s!, reaktr de
kon!m!n!n bir fonksiyon! olan girdi deriiminin bir fonksiyon!d!r. IE ha-mi kesit alan,
2, ile reaktr !z!nl!!, Iy< nin arpmdr.
IE > 2.Iy
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
8/27
jyjyyj AryFF = + 5(#(#
elde etmek iin Iy< ye bleriz.
dxdfxff xyxxx 55lim (#(# =+
Iy, sfra giderken limit olarak,
0d;:5dy > 02r:
Cenellikle, bamsz deiken olarak reaktr !z!nl!! #y(< den daha ok reaktr ha-mine
#E( sahip olmak en !yg!n yold!r.
'eaktr boy!n-a 2 kesit alan deien reaktrlerde tasarm eitliinin aynen kala-ana
dikkat edilmelidir. 2adaki ekilde gsterilen reaktr iin b! eitlik dor!sal bir y
ekseninden daha ok E ha-im eksenini k!llanarak genelletirilebilir. : tr E ha-mini batan
sona getikten sonra ;:#E( molar ak hznn da E< deki IE ha-mine girer. 2lt ha-im iinde
tepkime hznda kon!msal deime olmad iin n-eki gibi IE old!ka kk seilir.
VrdVrG jjj ==
Kararl alma dikkate alnarak eitlik yeniden dzenlenirse?
;:#E(@ ;:#EAIE(A r:IE >
#;:#EAIE(@ ;:#E(5 IE > r:
&asarm eitliinin !yg!lamasndan karlan son! nemlidir. 6iston akl bor!sal
reaktr #6;'(< de !lalan tepkime ilerleme dere-esi on!n ekline bal deil sade-e toplam
ha-mine baldr.
2.2.1.8 E9:+(#i;e% Re$k(#%e#
Kesikli reaktrler, gelitirilmekte olan yeni prosesleri denemek, pahal rnleri retmek,
kesiksiz ilemler ile dnm zor olan prosesleri gerekletirmek ama-yla yaplan kk
lekli almalarda k!llanlr. Kesikli reaktr, girdilerin !z!n zaman aralklaryla reaktr
terk etmesi nedeniyle, elde edilen yksek dnm avanta:na sahiptir. ;akat, birim retim
bana yksek iilik maliyeti ve byk lekli retim zorl!! gibi sakn-alara da sahiptir.
Lar kesikli bir reaktr aslnda kesikli reaktr ile ayn stnlklere sahiptir. ;akat onlara
ek olarak iyi bir s-aklk kontrol ve girdilerden birinin dk bir deriimde olmas sayesinde
istenmeyen yan tepkimelerin en aza indirilmesi yetenei gibi stnlkleri de vardr. Lar
kesikli reaktr genellikle sv iinden srekli olarak kabar-klar halinde geen bir gaz
tepkimesi iin old!! gibi iki fazl tepkimeler iin de k!llanlabilir.
%rekli kartrlan tank reaktr #$%&'(, yo!n alkalama gerektii zaman k!llanlr.
$%&' ya tek bana ya da bir $%&' bataryasnn veya serisinin bir paras olarak k!llanlr.
M
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
9/27
$%&' de iyi bir s-aklk kontrol yapmak dierlerine gre kolaydr. ;akat reaktrn birim
ha-mi bana girdi dnm bakmndan ak reaktrleri arasnda en dk olma
sakn-asna da sahiptir. %on! olarak, yksek dnm oranlar elde etmek iin ok byk
reaktrler gerekir."or!sal reaktr #yani piston akl reaktr, 6;',(< n bakm hibir paras hareket
etmedii iin nispeten kolaydr ve genellikle ak reaktrlerinin herhangi birisinin birim
reaktr ha-mi bana en yksek dnm orann salar. "or!sal reaktrn sakn-as, reaktr
iinde s-aklk kontrolnn zor olmasdr ve tepkime s veren tepkime old!! zaman s-ak
noktalar olabilir. "or!sal reaktr o!nl!kla ya !z!n bir tp eklinde veya tpler dizisi
olarak dzenlenmi daha ksa reaktrlerden birisi olarak b!l!n!r. n homo:en sv fazl ak
reaktrleri $%&'
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
10/27
byk harfler kimyasal trleri, kk harfler stokiyometrik katsaylar gstermektedir.
=esaplama temeli olarak 2 tr ele alnrsa, tepkime eitliini?
DadCacBabA (5#(5#(5# ++
eklinde ifade edebilmek iin tepkime eitliini 2 trnn stokiyometrik katsaysnablnr. "! temele gre her bir byklk 4mol 2 bana< ol!r.
&epkimedeki trlerin her birinin mol says ile dierleri arasnda bir bant k!rmann en
!yg!n yol!, dnm oran denilen bir bykln k!llanlmasdr. Jnm oran, O 2,
balangtaki 2< nn bir mol bana tepkimeye girmi olan 2< nn mol saysdr.
O2> &epkimeye giren 2< nn mol says 5 "eslenen 2< nn mol says
"!radan dnm oran tanm eitlii O2> #D2o0 D2( 5 D2ool!r.
Kolay ve ksa olmas iin, biz 2 alt indisi atlr. O > O2ol!r. ;akat okl! tepkimeler vebelli baz tepkime emalar sz kon!s! old!! zaman alt indisler dikkate alnr.
2.2.2. TASARIM ETLKLER
2.2.2.1 Ke+ik%i Si+(em%e#
"irok kesikli reaktrde bir girdi dierlerine gre daha !z!n sre reaktrde kalr,
o!nl!kla girdi ya bir dengeye !lan-aya kadar ya da girdinin birisi tkenin-eye kadar
rne dnr. %on! olarak, kesikli sistemlerde dnm oran, O, girdilerin reaktrde
kald zamann bir fonksiyon!d!r. er D2obalangtaki 2< nn mol says ise, o zaman tsresinden sonra tepkimeye girmi olan 2< nn toplam mol says #D2o.O( dr.
# =ar-anan 2 mol says ( > # "eslenen 2 mol says (.# &epkimeye giren 2 mol
says5"eslenen 2 mol says (
# &epkimeye giren 2 mol says ( > # D2o.O ( ol!r.
imdi, t sre sonra reaktrde kalan 2< nn mol says D2ove O -insinden ifade edilebilir.
# t srede reaktrdeki 2 mol says ( > #t> da reaktre beslenen balang mol says(0
# &epkime ile har-anan 2 mol says (
# D2( > # D2o( @ # D2o.O (
O dnm oranna !latktan sonra reaktrdeki 2< nn mol says?
D2> D2o@ D2o.O > D2o# 10O (
%-aklk ve deriimde hibir kon!msal deiiklik olmad zaman kesikli bir sistem iin
2 trne gre mol denklii aadaki eitlie indirgenir.
VrdtdN AA .5 =
"! eitlik, tepkime ha-mi sabit ols!n olmasn geerlidir. Cenel tepkimede,
2A#b5a(" #-5a($A#d5a(J
1
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
11/27
2 girdisi har-anp tkenmektedir. "! nedenle,
0dD25dt> #0r2(E
eklinde kesikli reaktr mol denkliini elde etmek iin steki eitliin her iki taraf 01 ile
arplr.2 k$2$"hz eitlii ile verilmelidir.
Kesikli reaktrler iin, belli bir dnm oranna !lalmas iin girdilerin reaktrde ne
kadar kaldklar ile ilgilenmeliyiz. "! zaman belirlemek iin, D 2o0 D2o#dO5dt(
"! son!-!n y!kardaki eitlik ile birletirilmesi ile bir kesikli reaktrn diferansiyel
tasarm eitlii elde edilir.
0D2o#dO5dt(>r2E
'eaktr analizlerinde sk sk karlalan tasarm eitlerinin diferansiyel ekli, zellikle de
tepkime hz verilerinin yor!m! da faydaldr. %abit ha-imli reaktrler endstride ok sk
k!llanlr. Kk lekli retim istendii zaman veya kesikli sistemlerde alma glkleriold!! zaman, tepkime srasndaki ha-im deiimleri nemsiz olan sv fazndaki tepkimeler
o!nl!kla kesikli reaktrlerde gerekletirilir.
2dyabatik ya da izotermal reaktrlerde tepkime ilerlerken ha-mi deien kesikli reaktr
sistemlerinde ha-im genellikle ya sade-e zamann bir fonksiyon! olarak ya da yalnz-a
dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade edilebilir. %on!nda aada belirtildii gibi bir
diferansiyel denklem elde edilir.
Edt> D2o.dO 5 0r2
"! eitlikler tepkimenin balad zaman ile herhangi bir t zaman arasnda integre edilir.
E>E1 AEsin Rt eitliine gre tepkimeye giren gazn bir piston ile bastrlmas gibi baz d
etkiler ile ha-im zel bir ekilde deitirildii zaman, dnm oran ile zaman birbirine
balamada k!llanlabile-ek eitlik,
=x
A
t
radxNVdt
5 dir.
"!n!nla beraber, ha-mi zamann n-eden deerlendirilmi bir fonksiyon! olmayan daha
genel bir kesikli reaktr iin. S dnm oranna !lamak iin gereken zaman,
11
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
12/27
=(#
(5(5#
tx
Ao VradxNt eitlii ile verilir.
2.2.*. HI= YASALARI VE STOKOMETR
Kesikli bir reaktrde belli bir O dnm oranna !lamak iin gereken zamann
hesaplanmas veya bir ak sisteminde verilen dnm oranna !lamak iin gereken reaktr
ha-minin hesaplanmas iin dnm orannn bir fonksiyon! olarak tepkime hznn
bilinmesi gerekir. &epkime hznn tepkimeye giren trlerin deriimlerine ball ve
deriime bal hz yasasndan dnme bal hz yasasna nasl dntrle-ei hakknda
bilgiler aada verilmektedir.
2.2.*.1. Teme% T$m%$#
=omo:en tepkime sade-e bir tek faz ieren tepkimedir. =etero:en tepkime ise birden ok
faz ieren tepkimedir ve genellikle fazlar arasndaki yzeyde veya ok yaknda ol!r.
&ersinmez tepkime sade-e bir ynde yryen ve girdiler tkenin-eye kadar devam eden bir
tepkimedir. Jier taraftan tersinir tepkime belli denge deriimlerine karlk gelen girdi ve
rnlerin deriimlerine bal olarak ayn anda her iki ynde de yryen tepkimedir.
&ersinmez bir tepkime denge ko!llar yokm! gibi davranr. Jaha kesin kon!!rsak,tamamen tersinmez tepkime yokt!r ama birok tepkimede denge noktas tersinmez tepkime
saylabile-ek kadar saa kayar.
Tepkime Hz S$>i(i
2adaki paragrafta ele alnan kimyasal tepkimelerde, tepkime son!-! kaybolan
girdilerden birisi olan 2 trnn hesaplama temeli olarak almaktayz. Cenellikle snrlay-
girdi hesaplama temelimiz olarak seilir. 2
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
13/27
fonksiyon! da olabilir ve b!na ek olarak iyonik k!vvet ve z- seimi gibi dier
parametrelerde baldr. Dormal olarak b! dier deikenler spesifik tepkime hzna
s-akln etkisinden ok daha az etki gsterir. "! nedenle b!rada s!n!lan bilgileri
amalarna !yg!n olarak knstel faktr veya frekans faktr
>aktifleme ener:isi,:5mol veya -al5mol'>gaz sabiti,>M,*1GU5mol.K>1,NM -al5mol.K
&>m!tlak s-aklk,K
2rrheni!s eitlii olarak bilinen eitlik #*0( old!ka geni bir s-aklk aralnda
deneysel hata snrlar iinde bir ok tepkime hz sabitinin s-akla kar davran verilerek
deneylerle dor!lanmtr.
2ktifleme ener:isi, , tepkime balamadan n-e tepkimeye giren molekllerin sahip
olmas gereken en az ener:iye eit saylmtr. Cazlarn kinetik k!ramndan, e05'&
faktr enaz ener:i
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
14/27
k #&(>2
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
15/27
DT Pt DAT
dir ve kinetik hz yasas yledir.
W1 O
ON
ON
Ck
kCr
+=
hem k hem de k< k!vvetli bir ekilde s-akla baldr. "ir hz ifadesi y!karda yazld gibi
old!!nda, belli snrlay- ko!llar altnda bir tepkimeden sz edilir.
%pesifik tepkime hz, k,k $2 k>s01 #*0(
9kin-i dere-e B 0r2>k AC. k>dm*5mol.s #*0M(
8n- dere-e B 0r2>k AC* k>#dm*5mol(.s01 #*0N(
ok sayda gaz ve sv tepkimeleri iin aktifleme ener:isi, frekans faktr ve tepkime
dere-esi Dational "!rea! %tandart
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
16/27
Ynimolekler tepkimenin en sk rastlanan rnei, tory!m ve hely!m vermek zere
kendiliinden olan !rany!m 0*Mr",iAr",g #*01*(
r">0k1 ...
HDB CCkC + #*01G(
1+
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
17/27
eitlik #*01G(n her iki tarafn#01( ile arparak benzenin har-anma hz,0r", iin hz
yasasn elde ederizB
0r">k1..
(5# .1.
1.
.
HDB
HDB CCkkCkCCkC =
#*01/(
0r">k1 cHDB "CCC 5#
.
.
#*01+(
b!rada k15k>K->deriime gre denge sabitidir.
Jenge sabiti s veren tepkimeler iin s-akln artmasyla azalr ve s alan tepkimelerde
s-akln artmasyla artar.
S(&ki&me(#ik T$>%&
=er hz yasas birden fazla tre bal ise, farkl trlerin her birinin deriimleri arasnda bir
iliki k!r!l!r. "! iliki stokiometrik tablo yardm ile kolay-a k!r!labilir. "! tablo tek bir
tepkime de tepkimeye giren molekller arasndaki stokiometrik balantlar gsterir. Lani
bize bir kimyasal tepkime srasnda baka bir trn belli sayda molekl kaybol!rken bir
trn ka molekl ol!a-an syler. "! bantlar genel bir tepkime hz iin tretile-ektir.
a2Ab" -$AdJ #*01(
Line hesaplama temeli olarak 2 alnrsa, tm stokiometrik katsaylar 2
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
18/27
"elirli
trler
"alangtaki
mol says
Jeiim Kalan mol says
2A
N 0
(.# #N oA
D2> AN 0 (.# #N oA
"O
BN 0#b5a(
(.# #NoA
D"> BN 0#b5a( (.# #N oA
$oC
N A#-5a(
(.# #NoA
D$> #NacN oaC .(5# +
JoD
N A#d5a(
(.# #NoA
DJ> #NadN oo AD .(5#+
2.2.*.2 S$>i( H$im%i Tepkime Si+(em%e#i
&epkime ilerlerken tepkimeye giren sistem hibir ha-im deiimine !ramazsa,
eitliklerin bazlarn basitletirmemiz mmkndr. "! sistemlere ya ha-min ya da
yo!nl!!n tepkime ilerlerken sabit kalmasndan dolay sabit ha-imli veya sabit yo!nl!kl!
sistemler denir. Caz fazndaki kesikli sistemlerde, reaktr genellikle iindeki basn veya
s-akl lmek iin !yg!n aletler ile kapatlm bir kaptr. "! kabn iindeki ha-im sabittir
ve deiemeye-ektir b! yzden sabit ha-imli bir sistemdir. Zaborat!arlardaki bomba tipli
reaktr b! tip reaktrler tipine bir rnektir.
%abit ha-imde gaz faz tepkimesi prosesin dier bir rnei rnlerin mol saylar
girdilerin mol saylarna eit old!! zaman ol!r. Kmrn gazlatrlmasnda ve dier birok
proseste nemli olan s!0gaz deitirme tepkimesi b!nlardan biridir.
$TA=T $TA=
"! tepkimede mol girdi mol rn ol!!r. Cirdi molekllerinin says ayn basn ve
s-aklkta rn molekllerinin says ile eit old!! zaman, eer ko!llar ideal gaz yasasnn
!yg!lanabile-ei ko!llar ise veya rn ve girdilerin sktrlabilme faktr yaklak olarak
eitse, tepkime karmnn ha-mi deimeye-ektir.
zeltide olan sv faz tepkimeleri iin, z- genellikle d!r!ma hakimdir. %on!
olarak, znenin yo!nl!!ndaki deime, zeltinin toplam yo!nl!!n! pek etkilemez ve
b! yzden o aslnda sabit ha-imli bir tepkime prosesidir. o! sv fazdaki organik
tepkimeler tepkime srasnda yo!nl!klarn pek deitirmez ve hala sabit ha-im
basitletirmesi !yg!lanabile-ek baka bir hali temsil ederler. "! genel k!raln nemli bir
ayr-al polimerleme prosesleridir.
1M
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
19/27
L!karda tanmlanan sabit ha-imli sistemler iin,deriim ve dnm birbirine balayan
ifadeler aada gsterilmitir.
E> E
$2> (1#(1#
xCV
xNoA
o
A =
[ ]
o
BA
BV
xabNC o
(5#= > [ ]xabC BAo (5#
$$> [ ]xacC cAo (5#
$J> [ ]xadC DAo (5#
2.2.*.* Akm Si+(em%e#i
Kesiksiz bir ak sistemi iin stokiometrik tablon!n ol!t!r!lmas gerekte D
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
20/27
2z ok olan baka deiken sistemli bir hal, zamanla ha-mi deien kesikli reaktrlerdeki
haldir. "! d!r!ma bir rnek iten yanmal motorlardaki yanma odas ve atelenirken bir
ateli silahn naml!s! iinde genleen gazdr.
2adaki hal eitlii k!llanlarak, bir kesikli sistemde ha-min, E, #veya bir aksisteminde ha-imsel ak hznn, v,( dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade
edilmesiyle deriimler belirlenir.
6E>QD&'& #*0*(
"!rada E ve D& srasyla ha-im ve toplam mol saysdr.
&>s-aklk ,K,
6> toplam basn, atm
Q>sktrlabilme faktr' gaz sabiti>,M1+ dm*.atm5mol.K
"! eitlik herhangi bir t zamannda sistemin herhangi bir noktasnda geerlidir. t>#yani
tepkimenin balang-nda ( eitlik #*0*(
6oE>QoD&o'&o #*0G(
Tl!r. itlik #*0*( eitlik #*0G( e blnerek yeniden dzenlenirse
oT
T
oo
oo N
N
(
(
T
T
P
PVV= #*0/(
eitliini verir. "ir E ha-mini S dnm orannn bir fonksiyon! olarak ifade edersek?
#NNN ATT . += #*0+(
b! eitliin tm terimleriniT
N
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
21/27
2.2. TEK REAKSYON @N TASARIM
"ir akkan ileminin pek ok yol! vardr. &ek bir kesikli ve akl reaktrde ara
safhalarda beslemenin mmkn old!! bir reaktr zin-irinde veya deiik besleme oranlar
ve ko!llarn k!llanlan bir reaktrde gerekletirilebilir. "!nlardan hangisi k!llanlmaldr[sor!s!na ise birok faktr gz nnde b!l!nd!r!ld!!nda -evap verilebilir. 'eaksiyon tipi
operasyon ve -ihaz maliyeti, emniyet ve kararllk, operasyondaki elastikiyet, -ihaz mr,
retilmesi beklenen rn iin gerekli zaman ve -ihazlarn farkl alma ko!llarna, yeni
veya deiik proseslere dntrebilme kolaylnn salanmas gibi faktrler b!na rnek
olarak verilebilir. "irok faktrn dikkate alnmas ve sistemlerde geni bir seim ansnn
olmas nedeniyle optim!m dzenei vererek iyi bir forml yokt!r. &e-rbe, mhendislik
m!hakemesi ve eitli reaktr sistemlerinin karakteristik bilgilerinin tm iyi bir tasarmnseilmesinde gereklidir.
%eilen reaktr sistemi, ihtiya d!y!lan birimlerin boy!t!n!n belirlenmesi ve ol!an
rnlerin orannn sabitlenmesi ile prosesin ekonomisini etkileye-ektir. 9lk faktr olan
reaktr ha-mi tasarmlarn deitirilebilir ve kontrol edilebilir.
"! kon!da gerekli stokiometrik ve denge balantlar olan tek bir hz denklemi k!llanan
reaksiyonlarla ilgili almalardan bahsedilmektedir. "! reaksiyon tiplerinde rn dalm
sabittir.&asarmlarn kartrlmasndaki nemli faktr ha-midir.
2.2..1 Re$k(#%e# 4i -&;5(%$# K;$+%$m$+
Ke+ik%i #e$k(#
Kesikli 'eaktrlerin 2vanta:lar
kipman maliyeti dktr.
Tperasyona esneklik getirir # retim kolaylkla ve ab!-ak d!rd!r!labilir. (
Kk miktarda malzeme retmek iin !yg!nd!r.
"ir ok deiik rn retim k!llanabilir.
Kesikli 'eaktrlerin Jezavanta:lar
Lksek i g- ve alma maliyeti gerektirir.
"oaltma, temizleme ve yeniden dold!rma iin gereken sre !z!nd!r.
8rnn kalite kontrol zord!r.
1 ?e 2 De#ee Re$k+i;&%$#9$ K$#'(#m$% ?e T:#>:%e# Ak'%
Re$k(#%e#i K$#'%$'(#%m$+
1
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
22/27
Karlatrmay n. dere-e hza gre yaparsak?
nAA
A kCdt
dN
Vr ==
1
n deeri ile * arasnda deimektedir. Kartrmal reaktr iin eitlik yazlrsa,
nA
nAAA
nAOA
AAO
%AO
AO% #
##
kCr
#C
F
VC
(1#
(1#11
+=
=
=
&rbler akl reaktr iin ise ,
+
=
=
=
AA #
nA
An
AAnAO
#
A
AAO
PAO
AO)
#
d##
kCr
d#C
F
VC
1
(1#
(1#1
eitlii yazlr.
9ki eitlii oranladmzda?
P
#
A
n
A
AA
%
n
A
AAA
)AO
AO
%AO
AO
PNAO
%nAO
A
d##
#
#
##
F
VC
F
VC
C
C
+
+
=
=
1
1
1
1
1
1
(#
(#
%abit ha-imde = iin,
)
nA
%
nA
A
)nAO
%nAO
n
#
#
#
C
C
=
1
1(1#
(1#
(#
(#11
1
n \ 1
Eeya
)A
%A
A
)nAO
%nAO
#
#
#
C
C
(1ln#
1
(#
(#
1
1
=
n > 1
2..8. @OKLU REAKTR SSTEMLER
%eri ve paralel bal olarak trbler akl reaktrler D tane trbler akl reaktrn seri
baland ve S1S ve S D4 nin reaktr terk eden komponent 2< nn dnm old!!n!
varsayalm. 9lk reaktrdeki 2 4 nn besleme hz zerinde madde denklii temel olarak i.
reaktr iin eitlik,
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
23/27
=1
1
#
#AO
r
d#
F
V veya D tane seri reaktr iin?
=+++=++
====
NN
N
xx
x
x
x
x
x
NN
$ o
$
Ao r
dx
r
dx
r
dx
r
dx
F
VVV
F
V
F
V
1
11
1
1
....
....
son! olarak toplam ha-mi E olan D tane seri bal tbler akl reaktr ha-mi E olan
bir trbler akl reaktrdeki ayn dnm verir.
6aralel veya seri olarak balanan trbler akl reaktr iin, eer besleme ayn
kompozisyon! ieriyorsa, tm sistem ayr ayr birimlerin toplam ha-mine eit olan tek bir
trbler akl reaktrn ha-mine eit olarak dnlebilir. 6aralel reaktrler iin E5p veya
] eit olmaldr.
2..8.1 E'i( H$im9e Se#i -$)%$$ K$#'(#m$% Re$k(#%e#
&rbler akl reaktrlerde, reaktant konsantrasyon! sistem boy!n-a yava yava
azalmaktadr. Kartrmal reaktrde ise konsantrasyon hemen dk bir deere !lamaktadr.
"! gerek nedeni ile? n. dere-e tersinmez reaksiyonlar #n^(. =zlar reaktant konsantrasyon!
ile artan reaksiyonlar iin trbler akl reaktr kartrmal reaktrden daha etkindir.
D tane kartrmal reaktrn seri baland bir sistem dnelim. =er bir reaktrde
konsantrasyon ayn olmasna ramen, reaktrden reaktre akkan hareket ettike
konsantrasyonda bir deiim olmaktadr. Konsantrasyondaki b! dme daha fazla reaktrn
seri olarak balanmasn nerir. "! d!r!mda da sistemin davran fazla trbler akl
reaktr sisteminde yaklamaktadr.
D tane eit ha-imli seri balanan kartrmal reaktrn davrann deerlendirelimB
yo!nl!k deiiminin ihmali varsaylabilir. "yle-e _> ve t>] olarak alnabilir. K!ral
olarak, kartrmal reaktrlerle dnmnden daha ok konsantrasyona bal denklemler
gelitirmek daha !yg!nd!r.
1. 9e#ee #e$k+i;&%$#B
A
$$$$$ r
##CV
F
VC
=== (# 1
_> old!!ndan konsantrasyona bal olarak yazlabilir.
[ ]
$
$
$
$$$ Ck
C$C
Ck
CCCCC
..
51#(51# 11 =
=
veya $$
$ k
C
C.11 +=
"tn eit Ei ha-mindeki reaktrlerde proses sresi veya ortalama kalma sresi ayndr.
*
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
24/27
N$
N
N
NN
kC
C
C
C
C
C
#C
C(.1#......
1
1 1
1
1
+==
=
btn olarak sistem iin yeniden dzenleme yapldnda?
== 1.
51
,
N
N$reakt*rN C
CkN
N
D , b! eitlikte trbler akl denkleme dnmektedir.
=
C
C
k)ln
1
b! son iki eitlikte, D tane seri reaktrn performansn tek bir trbler akl reaktrle
veya tek bir kartrmal reaktrle karlatrlabilir.
1.9e#ee #e$k+i;&%$#1. dere-e reaksiyona benzeyen prosedrle iki molekll. dere-ebir reaksiyon iin de seri bal kartrmal reaktrlerin performansn deerlendirebiliriz.
%eri bal D tane reaktr iin?
$$
N kCkC
G1...1....1#
G
1+++++=
an-ak )kCC
C
1+=
olarak b!l!n!r.
2..< DEAL REAKTR SSTEMNN EN Y EKLDE DB=ENLENMES
Eerilen bir saf ideal reaktrlerin en etkili k!llanm iin aadaki k!rallar izlenmelidir.
=z konsantrasyon erisi artan bir reaksiyon iin#n^( reaktrler seri
balanmaldr. er n^1 ise reaktrler reaktant konsantrasy!n!n! mmkn old!! kadar
yksek, eer n`1 ise de reaktant konsantrasyon!n! mmkn old!! kadar dk t!ta-ak
ekilde sralanmaldr. n^1 iin birimlerin sralanmas tbler, kk kartrmal ve byk
kartrmal ekilde ve n`1 old!! zaman da ters sra k!llanlmaldr.
=z konsantrasyon erisi bir maksim!m veya minim!mdan geen
reaksiyonlar iin birimlerin dzenlenmesi erinin gerek ekline, istenen dnm
seviyesine ve elde edilebilen birimlere baldr. "asit k!rallar nerilemez.
Kinetii ve reaktr sistemi her ne ol!rsa ols!n 150r2ya kar $2erisinin
gzden geirilmesi, birimlerin en iyi ekilde sralanmasn b!lmak iin iyi bir yold!r.
G
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
25/27
*. HESA6LAMALAR
2dyabatik B >
C$p>$p"0 $p2
6arametre deerlerinin b!l!nmas
. SONU@
Cazi 8niversitesi or!m )hendislik ;akltesi Kimya )hendislii "lm
&asarm X dersi kapsamnda metanol sentezi iin $TA= $=*T= reaksiyon!n!n
gereklee-ei bir reaktrn tasarm istenmektedir."! reaktrn tasarm iin yaplan btnhesaplamalarn ayrntl hesaplar b! rapor!n kapsamnda s!n!lm!t!r.
/
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
26/27
9lk olarak 0G$ s-aklklar arasndaki Kf deerleri hesaplanmtr. Jaha sonra /0
1 ve atm iin b! s-aklk aralklarnda Ka deeri hesaplanmtr. Ka deerlerinin
diyagramdan ok!nmasnda zorlanldndan indirgenmi basn ve indirgenmi s-akln
fonksiyon! olarak hesaplanmtr. "!l!nan b! Kf ve Ka deerlerinden yola klarak Kp
denge sabitleri b!l!nm!t!r. "!l!nan Kp denge sabitlerinden yararlanlarak O mol says
deerleri hesaplanmtr. =esaplanan O deerlerinden yararlanlarak Sae deerleri
b!l!nm!t!r. Ziteratrden yaplan aratrma son!nda b!l!nan @ra denkliine gre S2>,1
iin her bir s-aklktaki farkl dnmler b!l!nm!t!r. =er bir s-aklk iin hesaplanan b!
dnm deerleri iin ol!t!r!lan tablo grafie geirilerek S20& grafii ol!t!r!lm!t!r.
Sae0& deerleri grafie geirilerek /01 ve atm iin eriler elde edilmitir. "!
verilere gre metanol sentezi iin en iyi alma basn-nn atm old!!na kararverilmitir. atm alma parametresi olarak kab!l edilmi ve dier hesaplamalar b!
deerlere gre yaplmtr.
Ziteratrden b!l!nan reaksiyon hz denklemine gre her bir s-aklk iin @r2 deerleri
b!l!nm!t!r. Jaha sonra b! @r2 deerleri sabit alnp S>.1 dnmden balanarak her bir
s-aklk iin yeni S2deerleri b!l!narak @r20 S2grafii izilmitir. lde edilen b! grafie
gre eim hesab yaplarak k!llanla-ak reaktr saysnn * olmasna karar verilmitir.
=er bir reaktrn giri s-akl /GM K olarak alnmtr ve XX. ve XXX. 'eaktrlerinklarndan sonra so!tma yaplmtr. "! s deitiri-iler iin gerekli olan sl yklerin
hesaplar raporda s!n!lm!t!r.
=er bir reaktr iin 015r20 S2deerleri grafie geilerek, reaktrler iin gerekli olan
ha-imler hesaplanmtr. "!na gre X. reaktr iin 1 dm*, XX. reaktr iin , dm*ve XXX.
reaktr iin de ,N dm*deerlerine !lalmtr. &oplam ha-im ,1 m* ol!p b!n!n iin
gerekli olan maliyet +/ olarak hesaplanmtr.
)aliyet hesaplarnda? reaktr ha-imleri, s deitiri-ilerin maliyetleri, k!llanlmas
planlanan ener:i fiyatlar ve ekipman giderleri gz nne alnarak toplam maliyet yaklak
olarak 1G milyar olarak b!l!nm!t!r.
$TA= $=*T= tepkimesi katalizli bir tepkime ol!p yaplan literatr aratrmas
son!nda katalizr olarak QnT0$! k!llanlmas !yg!n grlmtr.
"! reaktr tasarm yaplrken 015r20 S2 grafii izilmi ve kan eri gz nne
alnarak k!llanlmas gerekli olan reaktr tipinin 6;' olmasna karar verilmitir. 2yr-a
metanol sentez reaksiyon! gaz faznda gerekleen bir reaksiyond!r ve genellikle gaz faznda
gerekleen reaksiyonlar iin 6;' ter-ih edilmektedir.
+
8/12/2019 reaktr tasarm raporu (kmse dokunmasn)
27/27
Laplan literatr aratrmalarna gre metanol sentezi iin maksim!m 3 / dnm elde
edilmektedir ve yaplan hesaplamalar son!-!nda b! ifadenin dor! old!! grlmtr.
nk X. reaktr son!nda 3 *,*? XX. reaktr son!nda 3 *N,/ ve XXX. reaktr son!nda 3/
orannda dnme !lalmtr.)etanol sentezi iin karbon monoksitten, metandan, s!dan ve karbon dioksitten ol!an
reaksiyonlar b!l!nmaktadr. Laplan literatr aratrmas son!nda grlmtr ki $T
zerinden gerekleen reaksiyon dierlerine gre daha kararsz davranmaktadr. "! sebeple
de dier reaksiyonlarda 3 M0N a varan dnmler elde edilirken $T zerinden yryen
b! tepkimede maksim!m 3 / verime !lalmaktadr.
Laplan reaktr tasarm iin k!llanla-ak malzeme paslanmaz elik olarak seilmi ve
maliyet hesaplar ona gre alnmtr.'eaktr tasarm iin en nemli kriter maO. dnm ve min. maliyeti salayabilmektir.
$T zerinden yryen metanol sentezi iin yaptmz hesaplamalar b! deerleri
salamaktadr.
"! rapor!n hazrlanmas srasnda her trl yardm bizden esirgemeyen ve gsterdii
snrsz anlayndan dolay gr!p ho-amz Lrd.Jo.Jr.Dihal &zn