Samenvatting I-reactoren (2002FTIREA)

1



Samenvatting reactoren
1.inleiding
Soorten reactoren :

- Batch : tijdsafhankelijk, discontinue
- CSTR : continue in en uitvoer uit de reactor
- Plug : tubulaire, langwerpige propstroomreactoren , plaat afhankelijk

We gaan proberen te bereiken in een reactor:

- De reagentia goed te laten mixen
- De kinetiek van het proces gaan beïnvloeden
o Temperatuur
o Druk

Altijd homogene mengsels : 1 enkele fase

- Ofwel gassen ofwel vloeistoffen

De reactiesnelheid
 Is gebaseerd op het volume reagerende vloeistof

1 d N i hoeveelheid mol i gevormd mol i
r i= .
V dt
=
[ ]
( vloeistofvolume ) . ( tijd ) m 3 s

 Indien A een reactant is dan is ri negatief !

−1 d N i hoeveelheid mol A verdwijnt mol A
−r A = .
V dt
=
( vloeistofvolume ) . ( tijd ) [3
m s ]
 Zo kunnen we rA definiëren als een positief getal
 V = het volume dat de reactanten innemen
o We spreken af : Vreactor= Vreactanten
o Dus dat de reactor altijd volledig gevuld is
o V = Vr
 Men kan de reactiesnelheden van alle reactanten linken aan elkaar door de coëfficiënten
weg te delen

aA + bB  rR + sS

−r A −r B r R r S
= = =
a b r s
 rA is een functie van
o T, P en samenstelling
o -rA = k.CAn

, 2


fractionele conversie
Een reactie loopt zo goed als nooit volledig 100% af, we krijgen altijd maar een gedeeltelijke
conversie we definiëren de conversiegraad XA

N A , 0−N A
X A=
N A, 0
als we veronderstellen dat V= Cte =V0 is dan:

NA
N A , 0−N A V CA
X A= =1− =1−
N A, 0 N A ,0 C A0
V0

C A=C A 0 . ( 1−X A )

of

−d C A
d X A=
C A0

als V geen cte is dan geld deze algemene formule die altijd juist is:

N A =N A 0 . ( 1−X A )



2. kinetiek van een homogene reactie
we starten met het definiëren van 3 types ideale reactoren

de ideale batch reactor




- discontinue  geen voeding
- we veronderstellen een perfecte roering = uniforme concentratie
- geen plaatsafhankelijkheid
- afhankelijk van de tijd

, 3


de ideale plug flow reactor




- continue (steady flow) reactor
- allemaal propjes die elkaar opvolgen doorheen de reactor
o geen axiale menging (in de lengterichting)
o menging in radiale richting is oneindig snel (in de doorsnede)
- de propjes zelf veranderen van concentratie doorheen de reactor
o propje in het begin heeft CA0
o propje op het einde heeft CA,f
- de concentratie is plaatsafhankelijk maar tijdsonafhankelijk

de ideale mixed flow reactor (CSTR)




- continue (steady flow) reactor
- batch reactor met een uitgang
- geen verandering in de tijd
- perfecte menging  plaatsonafhankelijk  1 werkconcentratie C= CA,f  de uitgaande
concentratie
- de voeding is constant (debiet, beginconcentratie…)

Concentratieafhankelijke term van de snelheidsvergelijking
we veronderstellen dat er enkel enkelvoudige reacties optreden

 geen meervoudige reacties
o seriereacties A R  S
o parallelle reacties
 competitief : A R en A S
 naast elkaar : A R en B S
o complexe reacties
 A+BR
 R+ B  S

temperatuuursafhankelijke term van een snelheidsvergelijking
wet van arrhenius :
−E A

k =k 0 . e R .T
r1 k1 Ea 1 1
ln
r2
=ln = . −
[
k2 R T 1 T 2 ]

, 4



3. interpretatie van batch tot reactor data
bij constant volume
we definiëren de reactiesnelheid de verandert per tijd en volume, met volume een cte:

Ni

r i=
1 dNi
. =
d ( )
V
=
d Ci
=k . Ci
n
V dt dt dt
p n
wanneer we ideale gassen hebben geld : C= =
RT V

1 d pi
r i= .
RT dt
we stellen nu bij een 1ste orde reactie:

−d C A 1
−r A = =k .C A
dt
CA t
dCA
−∫ =k .∫ dt
C A0
CA 0


CA
−ln =k .t
CA 0




-

niet constant volume
- bij bijvoorbeeld niet dezelfde stoechiometrie: ( A + B  5C)
- vorming van een gas uit vloeibare reagentia)

1 d N i 1 (C ¿ ¿i . V ) 1 V . d C i +C i . dV d C i +Ci . dV d C i C i dV
r i= . = .d = . = = + . ¿
V dt V dt V dt dt dt V dt
Ci dV
deze formule is altijd en algemeen geldig, bij een cte volume valt . weg want dV/dt=0
V dt
we definiëren εA als de fractionele volumeverandering tussen geen conversie (XA = 0) en volledige
conversie (XA=1)