Reactorkunde – Samenvatting 2017/2018 – Annerieke van Hoof – Jaar 3 CT
Week 1
- Het vakgebied van de reactorkunde beoogt kennis aan te reiken die noodzakelijk is voor het
kunnen dimensioneren van een aantal eenvoudige (modelreactoren). Belangrijke vragen die
aan bod zullen komen zijn:
o Welke chemische omzettingen vinden plaats (gewenst en ongewenst)?
o Hoe snel verlopen deze processen?
- Van belang hierbij zijn de invloed van temperatuur, samenstellingen en aanwezigheid van een
of meer fasen.
- We zullen zien dat er soms een compromis gesloten moet worden tussen het behalen van
een hoge conversie en hoge selectiviteit, de beste oplossing komt voort
uit economische afwegingen.
- Hiervoor moet je massabalansen, energiebalansen en de reactiekinetiek
goed kunnen gebruiken.
- Endotherme reactie = een reactie met positieve reactie enthalpie,
energie toevoeren is noodzakelijk.
- Exotherme reactie = reactie met een negatieve reactie enthalpie, er
komt energie vrij.
- Homogene reactie = de reactie speelt zich helemaal af in één fase.
- Heterogene reactie = de reactie speelt zich af in meerdere fasen.
- Aflopende reactie = een reactie waarbij de reactant(en) volledig worden
omgezet in producten.
- Evenwichtsreactie = is de combinatie van een heen en een teruggaande
reactie.
- Conversie = het percentage van de reactant(en) dat is omgezet in product(en). De conversie
slaat altijd op de limiterende reactant.
- Opbrengst (yield) = het percentage van de reactant(en) dat is omgezet in het gewenste
product. De yield slaat altijd op de limiterende reactant.
- We kunnen ammoniak maken door stikstof en waterstof met elkaar te laten reageren in een
verhouding 1:3. Deze reactie is een evenwichtsreactie:
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
De gevonden conversie hangt zeer sterk af van druk en temperatuur in de reactor:
T [ºC] \ P [bar] 50 200 500
300 39.38 66.43 83.38
350 25.12 52.17 73.04
400 15.23 38.53 60.91
450 9.12 27.15 48.43
, 500 5.56 18.61 37.02
550 3.49 12.67 27.54
600 2.28 8.69 20.20
Dit heeft te maken met het instellen van hetzelfde evenwicht. Bij een drukverhoging schuift
het evenwicht naar de kant met het minst aantal deeltjes (ammoniak kant) (principe van
Le Châtelier). In feite is de hoge concentratie reactanten van belang. Drukverhogen
met bijvoorbeeld Ar geeft geen verschuiving: [Brown, 528- 533].
- De chemische kinetiek is het vakgebied waarin men zich bezighoudt met de beschrijving van
de snelheid waarmee een chemische reactie plaatsvindt.
Reactie: A + B P + Q
De snelheid waarmee P en Q gevormd worden hangt af van veel factoren, de belangrijkste
zijn:
o De concentratie van de reactanten A en B
o De temperatuur
o De druk
o Aanwezigheid van meerdere fasen (transport limieten)
o De aanwezigheid van een katalysator
- De snelheid rP waarmee P wordt geproduceerd is gegeven door:
dcP -3
rP = [ m o l ×m ×s - 1 ]
dt
- De verandering van de concentratie cP in de tijd. Voor een reactant doen we hetzelfde. De
snelheid rA waarmee A wordt geproduceerd (!) is:
dcA
rA =
dt
- Omdat cA in de tijd afneemt is de productiesnelheid r A negatief. Bedenk dat productiesnelheid
= - consumptiesnelheid.
- De totale reactiesnelheid r van de reactie is altijd positief en gedefinieerd als:
rj
r =
n j
- Met vj de stoichiometrische coëfficiënt van component j (negatief voor reactanten en positief
voor producten!)
- Deeltjes moeten botsen om te kunnen reageren. Hiervoor is voldoende energie nodig. Hoe
hoger de temperatuur, hoe meer energie.
- Een botsing leidt niet per se tot een reactie.
- Hogere concentraties betekent meer botsingen.
- De kans dat een botsing tot reactie leidt samen met de temperatuur factor worden gestopt in
één snelheid constante k.
- Het aantal botsingen wordt gegeven door de concentraties van de reactanten.
, - Elementaire reacties: De reactiesnelheid kan direct worden afgeleid uit de stoichiometrische
vergelijking:
- Wanneer de stoichiometrische constante 2 (of 3) is dan verschijnt de concentratie als 2e (of
3e) macht in de snelheidsvergelijking (dit geldt alleen voor elementaire reacties).
- Niet elementaire reacties: Er is geen noodzakelijk verband tussen de stoichiometrie en de
reactiesnelheidsvergelijking. Twee voorbeelden:
- Simpele stoichiometrie, complexe reactiesnelheidsvergelijking:
- Complexe stoichiometrie, simpele reactiesnelheidsvergelijking.
- Een niet elementaire reactie is het resultaat van een onbekend aantal onderliggende
elementaire reacties.
- Vrijwel de meeste bekende reacties zijn niet elementair!
- Voorbeeld van een reactiemechanisme voor de vorming van HBr:
- H* en Br* zijn “intermediates”: Zeer reactieve tussenproducten die kort leven en in niet
meetbare hoeveelheden voorkomen. Voorbeeld: radicalen, ionen, deeltjes in aangeslagen
toestand.
- De stap met kleinste k is de snelheidsbepalende stap (vergelijk 6 baans snelweg naar klein
bruggetje) en domineert de kinetiek.
- Enkele vuistregels:
o De reactie stoichiometrie moet bestaan uit gehele getallen.
o Kinetiek en stoichiometrie van de reactie komen overeen.
o De reactiesnelheidsvergelijking heeft dus ook enkel gehele machten.
o In een elementaire reactie botsen nooit meer dan 3 deeltjes.
o Indien een reactie elementair is, is het een evenwichtsreactie en is de teruggaande
reactie ook elementair.
Week 1
- Het vakgebied van de reactorkunde beoogt kennis aan te reiken die noodzakelijk is voor het
kunnen dimensioneren van een aantal eenvoudige (modelreactoren). Belangrijke vragen die
aan bod zullen komen zijn:
o Welke chemische omzettingen vinden plaats (gewenst en ongewenst)?
o Hoe snel verlopen deze processen?
- Van belang hierbij zijn de invloed van temperatuur, samenstellingen en aanwezigheid van een
of meer fasen.
- We zullen zien dat er soms een compromis gesloten moet worden tussen het behalen van
een hoge conversie en hoge selectiviteit, de beste oplossing komt voort
uit economische afwegingen.
- Hiervoor moet je massabalansen, energiebalansen en de reactiekinetiek
goed kunnen gebruiken.
- Endotherme reactie = een reactie met positieve reactie enthalpie,
energie toevoeren is noodzakelijk.
- Exotherme reactie = reactie met een negatieve reactie enthalpie, er
komt energie vrij.
- Homogene reactie = de reactie speelt zich helemaal af in één fase.
- Heterogene reactie = de reactie speelt zich af in meerdere fasen.
- Aflopende reactie = een reactie waarbij de reactant(en) volledig worden
omgezet in producten.
- Evenwichtsreactie = is de combinatie van een heen en een teruggaande
reactie.
- Conversie = het percentage van de reactant(en) dat is omgezet in product(en). De conversie
slaat altijd op de limiterende reactant.
- Opbrengst (yield) = het percentage van de reactant(en) dat is omgezet in het gewenste
product. De yield slaat altijd op de limiterende reactant.
- We kunnen ammoniak maken door stikstof en waterstof met elkaar te laten reageren in een
verhouding 1:3. Deze reactie is een evenwichtsreactie:
N2 (g) + 3 H2 (g) 2 NH3 (g)
De gevonden conversie hangt zeer sterk af van druk en temperatuur in de reactor:
T [ºC] \ P [bar] 50 200 500
300 39.38 66.43 83.38
350 25.12 52.17 73.04
400 15.23 38.53 60.91
450 9.12 27.15 48.43
, 500 5.56 18.61 37.02
550 3.49 12.67 27.54
600 2.28 8.69 20.20
Dit heeft te maken met het instellen van hetzelfde evenwicht. Bij een drukverhoging schuift
het evenwicht naar de kant met het minst aantal deeltjes (ammoniak kant) (principe van
Le Châtelier). In feite is de hoge concentratie reactanten van belang. Drukverhogen
met bijvoorbeeld Ar geeft geen verschuiving: [Brown, 528- 533].
- De chemische kinetiek is het vakgebied waarin men zich bezighoudt met de beschrijving van
de snelheid waarmee een chemische reactie plaatsvindt.
Reactie: A + B P + Q
De snelheid waarmee P en Q gevormd worden hangt af van veel factoren, de belangrijkste
zijn:
o De concentratie van de reactanten A en B
o De temperatuur
o De druk
o Aanwezigheid van meerdere fasen (transport limieten)
o De aanwezigheid van een katalysator
- De snelheid rP waarmee P wordt geproduceerd is gegeven door:
dcP -3
rP = [ m o l ×m ×s - 1 ]
dt
- De verandering van de concentratie cP in de tijd. Voor een reactant doen we hetzelfde. De
snelheid rA waarmee A wordt geproduceerd (!) is:
dcA
rA =
dt
- Omdat cA in de tijd afneemt is de productiesnelheid r A negatief. Bedenk dat productiesnelheid
= - consumptiesnelheid.
- De totale reactiesnelheid r van de reactie is altijd positief en gedefinieerd als:
rj
r =
n j
- Met vj de stoichiometrische coëfficiënt van component j (negatief voor reactanten en positief
voor producten!)
- Deeltjes moeten botsen om te kunnen reageren. Hiervoor is voldoende energie nodig. Hoe
hoger de temperatuur, hoe meer energie.
- Een botsing leidt niet per se tot een reactie.
- Hogere concentraties betekent meer botsingen.
- De kans dat een botsing tot reactie leidt samen met de temperatuur factor worden gestopt in
één snelheid constante k.
- Het aantal botsingen wordt gegeven door de concentraties van de reactanten.
, - Elementaire reacties: De reactiesnelheid kan direct worden afgeleid uit de stoichiometrische
vergelijking:
- Wanneer de stoichiometrische constante 2 (of 3) is dan verschijnt de concentratie als 2e (of
3e) macht in de snelheidsvergelijking (dit geldt alleen voor elementaire reacties).
- Niet elementaire reacties: Er is geen noodzakelijk verband tussen de stoichiometrie en de
reactiesnelheidsvergelijking. Twee voorbeelden:
- Simpele stoichiometrie, complexe reactiesnelheidsvergelijking:
- Complexe stoichiometrie, simpele reactiesnelheidsvergelijking.
- Een niet elementaire reactie is het resultaat van een onbekend aantal onderliggende
elementaire reacties.
- Vrijwel de meeste bekende reacties zijn niet elementair!
- Voorbeeld van een reactiemechanisme voor de vorming van HBr:
- H* en Br* zijn “intermediates”: Zeer reactieve tussenproducten die kort leven en in niet
meetbare hoeveelheden voorkomen. Voorbeeld: radicalen, ionen, deeltjes in aangeslagen
toestand.
- De stap met kleinste k is de snelheidsbepalende stap (vergelijk 6 baans snelweg naar klein
bruggetje) en domineert de kinetiek.
- Enkele vuistregels:
o De reactie stoichiometrie moet bestaan uit gehele getallen.
o Kinetiek en stoichiometrie van de reactie komen overeen.
o De reactiesnelheidsvergelijking heeft dus ook enkel gehele machten.
o In een elementaire reactie botsen nooit meer dan 3 deeltjes.
o Indien een reactie elementair is, is het een evenwichtsreactie en is de teruggaande
reactie ook elementair.
