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Processi e Impianti Chimici Reattori 2
Dispense del corso di Processi e Impianti Chimici Corso di Laurea Specialistica in Chimica Industriale Docente Guido Sassi Facoltà di Scienze Matematiche Fisiche e Naturali Università di Torino Reattori 2 Modellazione di Reattori omogenei non isotermi .............................................................. 1 Reattori ideali ................................................................................................................. 1 Batch........................................................................................................................... 1 Reattore Isotermo ................................................................................................... 3 Reattore Adiabatico................................................................................................ 3 Caso generale di reattore batch non isotermo ........................................................ 4 CSTR.......................................................................................................................... 4 Reattore isotermo ................................................................................................... 5 Reattore adiabatico................................................................................................. 5 Caso Generale ........................................................................................................ 6 Molteplicità degli stati stazionari ........................................................................... 6 Reattore a flusso a pistone.......................................................................................... 7 Modellazione di Reattori omogenei non isotermi Le reazioni avvengono con produzione o consumo di energia, per mantenere costante la temperatura occorre sottrarre o fornire calore al sistema. Non sempre conviene o è possibile mantenere le condizioni di isotermicità. Quando il reattore non è isotermo occorre considerare il bilancio entalpico del reattore accoppiato ai bilanci di materia. La non isotermicità dei reattori è inoltre legato al trasporto di calore, si possono quindi anche in questo caso considerare i casi ideali 1) in cui il trasporto di calore e materia siano infinitamente rapidi (tempo caratteristico del trasporto molto minore del tempo caratteristico di generazione), reattore Batch e CSTR non isotermo adiabatico e non adiabatico; 2) in cui il trasporto sia nullo (tempo caratteristico del trasporto molto maggiore del tempo caratteristico di generazione), reattore PFR non isotermo adiabatico; 3) in cui il trasporto sia nullo assialmente e infinitamente rapido radialmente, reattore PFR non isotermo e non adiabatico. Reattori ideali Batch 1 ⎛C ⎞ md ⎜⎜ R ⎟⎟ ⎝ ρ ⎠ = mdω R = M R V ; − ρ ω R , 0 dZ R = R Bilancio di materia: M R R R R dt dt M R dt RR è una velocità di generazione. dm E = q −W Bilancio energetico: dt (i simboli sopralineati sono le grandezze estensive per unità di massa del fluido, ovvero diventano intensive). Dove W è la potenza ricavata dal sistema (lavoro meccanico recuperato e lavoro di dpV dmpV espansione nell'unità di tempo) W = Wm + = mW m + ; Wm è in genere nullo in dt dt quanto ai reattori non sono accoppiate macchine in grado di recuperare il lavoro. q è il calore fornito al reattore. L'energia totale del fluido è la somma di energia potenziale (trascurabile in quanto non cambia la quota h), cinetica (trascurabile in quanto non varia mediamente la velocità del fluido) e interna (U). dm E dmU dmpV Il bilancio si riduce quindi a: = =q− ; dt dt dt dmU dmpV dmU + mpV dm U + pV dm H da cui si ricava l'equazione: + = = = =q dt dt dt dt dt dove H è l'entalpia del fluido. La reazione può essere scritta come: ∑ν I I = 0 dove I sono i reagenti (coefficiente ( ) I stechiometrico νI negativo) e i prodotti (coefficiente stechiometrico νI positivo) di reazione. L'entalpia di una miscela può essere scritta come: H = ∑ (ω I H I ) + ∆ H mix (ω I ) I IPOTESI 1: Per i fluidi ideali l'entalpia di miscelazione è nulla (come tutte le grandezze estensive di miscelazione). Introduciamo quindi una ipotesi di idealità. Differenziando si ottiene: d H = ∑ d (ω I H I ) = ∑ H I dω I + ∑ ω I dH I I I I ⎛ ∂H I ⎞ ⎛ ∂H I ⎞ ⎟⎟ dP ⎟⎟ dT + ⎜⎜ dove d H I = ⎜⎜ ⎝ ∂P ⎠ T ⎝ ∂T ⎠ P IPOTESI 2: Per i gas perfetti e fluidi incomprimibili il secondo addendo è trascurabile. Il differenziale del primo addendo equivale al calore specifico a pressione costante cpI. dH I = c pI dT (a volume costante (tipico di reattori a gas) basta sostituire la pressione con il volume in tutto il ragionamento e vale una ipotesi analoga) Per quanto riguarda la reazione possiamo scrivere: dω I dω R = per ogni reagente e prodotto I in riferimento a un singolo reagente R. M Iν I M Rν R Inoltre le grandezze estensive molari e specifiche (sulla massa) sono correlate tramite il peso ~ molecolare H I = M I H I . ~ − ∆H reazione dω R dω R + ∑ (ω I c pI )dT = + c p dT d H = ∑ H I dω I + ∑ ω I dH I = ∑ (H I M Iν I ) νR MR M Rν R I I I I 2 Il calore specifico medio è calcolato pesato sulle frazioni in massa: c p = ∑ (ω I c pI ) I L'entalpia di reazione riferita ad un reagente chiave è calcolata dalle entalpie dei reagenti e dei prodotti tramite la reazione e i suoi coefficienti stechiometrici: ~ ~ − ∆H reazione = ∑ν I H I = ∑ (H I M Iν I ) I I Il bilancio entalpico risulta quindi essere: ~ ~ − ∆H reazione dω R − ∆H reazione ω 0, R dZ R dT dT q= + cp =− + cp dt dt M R dt dt ν RM R νR ( ) ( ) sostituendo l'equazione di bilancio di materia ( − ρ ~ ( − ∆H q= reazione )R ρ R νR + cp ω R , 0 dZ R M R dt = RR ) risulta: dT ; sia dZR/dt che RR sono funzioni anche della temperatura. dt Reattore Isotermo In un reattore isotermo il calore da asportare si calcola ponendo a zero la variazione di temperatura (RR è una velocità di generazione): ~ ~ ~ − ∆H reazione dω R − ∆H reazione ω 0, R dZ R − ∆H reazione RR q= =− = dt M R dt ν RM R νR ρ νR La velocità di reazione è funzione della sola concentrazione in quanto la temperatura rimane costante. I segni sono convenzionali per la generazione o consumo del composto (RR) e per il calore ceduto dal sistema o fornito al sistema (q). RR > 0 sia per i prodotti generati, sia per i reagenti consumati ( ) ( ) ( ) νR Questa ultima equazione ci dice quindi che, per mantenere il reattore isotermo, la potenza ~ termica da smaltire (q<0) generata da una reazione esotermica ( − ∆H reazione >0) è proporzionale alla quantità di reagente (νR<0) chiave consumata nell'unità di tempo (RR<0); oppure che , per mantenere il reattore isotermo, la potenza termica da fornire (q>0) a causa di ~ una reazione endotermica ( − ∆H reazione <0) è proporzionale alla quantità di prodotto (νR>0) chiave generato nell'unità di tempo (RR>0). Reattore Adiabatico In un reattore adiabatico il calore scambiato è nullo (q=0): ~ ( − ∆H 0=− reazione νR ~ ( − ∆H ∆T = reazione )ω ) ( ) ~ − ∆H reazione RR dZ R dT dT + cp = + cp M R dt dt ρ νR dt ~ ω 0, R − ∆H reazione R R Z R = −∫ dt MR ρc p νR 0, R ( ) c pν R A questo punto il calore specifico non è solamente mediato sulla composizione, ma anche mediato sulla temperatura, anche l'entalpia di reazione a questo punto è mediata sulla temperatura. 3 ~ ( − ∆H ∆T = reazione )ω 0, R c pν R M R ZR ~ ( − ∆H = reazione )C c pν R ρ 0 0, R Z R = ∆Tad Z R ∆Tad è quindi la variazione di temperatura che si otterrebbe se la reazione evolvesse fino al consumo totale del reagente in condizioni adiabatiche e rappresenta la massima variazione di temperatura riscontrabile (salvo apporti esterni di calore nello stesso senso della reazione, certamente non forniti se la variazione di temperatura rappresenta un problema). Considerando una cinetica del primo ordine per un fluido incomprimibile il bilancio di materia risulta essere: E E − − ω R , 0 dZ R R R = −k ∞ e RT C R = − k ∞ e RT C R , 0 (1 − Z R ) = − ρ M R dt sostituendo: C R ,0 = ρ ω R ,0 MR (rapporti fra le grandezze) e T=T0+∆TadZR (bilancio entalpico) − nella equazione di bilancio si ottiene l'equazione: k ∞ e E R (T0 + ∆Tad Z R ) (1 − Z R ) = dZ R dt che integrata fornisce l'equazione di progetto del reattore batch adiabatico. t= 1 k∞ ZR e E R (T0 + ∆Tad Z R ) ∫ (1 − Z ) dZ R R 0 Caso generale di reattore batch non isotermo Il calore scambiato può essere espresso in funzione dell'area di scambio, del coefficiente globale di scambio di calore e del salto termico fra reattore e fluido di servizio refrigerante o riscaldante: q = −UA(T − Tc ) dove con c si intende il fluido di servizio; il calore fornito al sistema (Tc>T) è considerato nei bilanci precedenti come positivo. Il sistema di equazioni seguente rappresenta un sistema generico e in ogni caso deve essere risolto per via numerica: dZ R UA(T − Tc ) ⎧ dT ⎪ dt = ∆Tad dt + cP ⎪ ⎪⎪ ω R , 0 dZ R = RR ⎨− ρ M dt R ⎪ ⎪ R R = f (C R ; T ) ⎪ ⎪⎩ CSTR In questo caso il bilancio entalpico in condizioni stazionarie può essere scritto come: ∆ (Φ m H ) = Φ m (H 1 − H 0 ) = q in entrata le condizioni sono: H 0 = ∑ c p , I (T0 − TS ) + H I , S ω I ,0 = ∑ (c p , I ω I ,0 )(To − TS ) + ∑ (H I , S ω I ,0 ) [ ] I I I in uscita le condizioni sono: H 1 = ∑ c p , I (T1 − TS ) + H I , S ω I ,1 = ∑ (c p , I ω I ,1 )(T1 − TS ) + ∑ (H I , S ω I ,1 ) [ I ] I I 4 lo stato S è uno stato di riferimento qualunque, la convenienza sulla scelta dipende dalle ipotesi semplificative che dovranno essere fatte. Facendo la differenza otteniamo: H 1 − H 0 = ∑ (c p , I ω I ,1 )(T1 − TS ) − ∑ (c p , I ω I ,0 )(T0 − TS ) + ∑ (H I , S ω I ,1 ) − ∑ (H I ,S ω I ,0 ) I I I I IPOTESI 1: si può considerare un calore specifico che sia mediato sulle composizioni entranti e uscenti e sulle temperature entranti, uscenti e di riferimento, l'equazione si semplifica in: H 1 − H 0 = c p (T1 − T0 ) + ∑ [H I , S (ω I ,1 − ω I , 0 )] I Sostituendo l'equazione nel bilancio entalpico otteniamo quindi la nuova espressione del bilancio come: Φ m (H 1 − H 0 ) = c p Φ m (T1 − T0 ) + Φ m ∑ [(ω I ,1 − ω I , 0 )H I , S ] = q I Se per ogni componente si scrive il bilancio di materia otteniamo le equazioni: Φ m (ω I ,1 − ω I ,0 ) = M I RI V moltiplicando entrambe i termini di ogni equazione per H I , S e sommando membro a membro si ottiene: Φ m ∑ [(ω I ,1 − ω I ,0 )H I ,S ] = ∑ (M I RI H I , S )V I I dalla reazione ∑ν I I = 0 si ottiene I RI νI = RR νR per ogni reagente e prodotto I in riferimento a un singolo reagente R, da cui per sostituzione otteniamo: R Φ m ∑ [(ω I ,1 − ω I ,0 )H I ,S ] = ∑ (ν I M I H I , S ) R V I I ( νR ) ( ) ~ ~ dove ∑ (ν I M I H I , S ) = ∑ ν I H I , S rappresenta l'entalpia di reazione − ∆H reazione, S calcolata I I alla temperatura TS. L'equazione diventa dunque: ( )ν RV ~ Φ m ∑ [H I , S (ω I ,1 − ω I ,0 )] = − ∆H reazione , S R I R sostituendo nel bilancio entalpico otteniamo l'espressione di bilancio: RV ~ c p Φ m (T1 − T0 ) + Φ m ∑ [(ω I ,1 − ω I , 0 )H I , S ] = c p Φ m (T1 − T0 ) + − ∆H reazione , S R = q ( )ν I R Questa equazione accoppiata al bilancio di materia per il reagente chiave ci descrive il comportamento del reattore: R RV ~ ⎧ ⎪c p Φ m (T1 − T0 ) + − ∆H reazione , S ν = q = −UA(T − Tc ) R ⎨ ⎪Φ (ω − ω ) = −Φ ω Z = M R V R,0 m R ,0 R R R ⎩ m R ,1 ( ) Reattore isotermo Uguagliando le temperature di ingresso e uscita si ottiene il bilancio del reattore isotermo: Φ mω R , 0 Φ m C R,0 RV ~ ~ ~ q = − ∆H reazione, S R = − − ∆H reazione, S Z R = − − ∆H reazione, S ZR νR ν RM R ν R ρ0 ( ) ( ) ( ) Reattore adiabatico In un reattore adiabatico il calore scambiato è nullo (q=0): 5 ( ) R RV ~ ⎧ ⎪c p Φ m (T1 − T0 ) + − ∆H reazione, S ν = 0 R ⎨ ⎪− Φ ω Z = M R V m R ,0 R R R ⎩ La differenza di temperatura nel reattore adiabatico risulta perciò essere: ~ ~ − ∆H reazione , S ω R ,0 − ∆H reazione, S C R , 0 (T1 − T0 ) = ZR = Z R = ∆Tad Z R c pν R M R c pν R ρ 0 in completa analogia con quanto detto per il reattore discontinuo. Considerando una cinetica del primo ordine con un fluido incomprimibile si può ancora scrivere: ⎧(T1 − T0 ) = ∆Tad Z R ⎪ E ⎨ − ⎪⎩Φ mω R ,0 Z R = M R k ∞ e RT C RV come per il reattore discontinuo, sostituiamo i valori e otteniamo: ( ) ( ) E − Φm Z R = k ∞ e R (T0 + ∆Tad Z R ) (1 − Z R ) ρV − E R (T0 + ∆Tad Z R ) (1 − Z R ) Z R = τk ∞ e questa equazione algebrica può essere risolta con un metodo numerico di ricerca degli zeri (Newton, Wegstein e altri) Caso Generale In generale le equazioni diventano: UA ⎧ ⎪(T1 − T0 ) = ∆Tad Z R − c Φ (T − Tc ) p m ⎪⎪ C R ,0 Z R ⎨ ⎪− R R = ρ V 0 ⎪ ⎪⎩ Φm Molteplicità degli stati stazionari Dall'equazione di bilancio entalpico possiamo, in analogia a quanto fatto per determinare in modo grafico il punto di funzionamento di un CSTR isotermo, ricavare due termini: il primo esprime il calore generato dalla reazione QR e il secondo quello asportato dal sistema fra raffreddamento e allontanamento con la corrente uscente QS: UA (T1 − Tc ) c p (T1 − T0 ) + c p ∆Tad Z R = − Φm ~ C R , 0 − ∆H reazione,S ρ 0UA (T1 − Tc ) = ρ 0 c p QS = ρ 0 c p (T1 − T0 ) + Z R = ρ 0 c p ∆Tad Z R = QR Φm ρ 0 c pν R Riportando su un diagramma le due curve (QR e QS) spesso si possono trovare situazioni come quelle rappresentate in figura. Per rette QS Comprese fra le rette limite L1 ed L2, esistono tre valori (A, B, C) di T1 tali per cui QR e QS si equivalgono. Questo significa che esistono tre stati stazionari di cui il centrale B è sicuramente instabile, A e C possono essere stabili, ma per averne la valutazione occorre studiare il sistema dinamico e valutare la convergenza everso il punto, sono possibili stati oscillatori. ( ) 6 Q L2H QR L1 A C L1L B L2 T1 QS QR QS Lim Superiore Lim Inferiore ⎛ ρ UA ⎞ Le rette QS hanno come costante − ⎜⎜ ρ 0 c p T0 + 0 Tc ⎟⎟ e come coefficiente angolare Φm ⎠ ⎝ ρ UA ρ 0 c p + 0 . Si possono quindi modificare le variabili operative e soprattutto le variabili di Φm progetto per evitare di trovarsi in situazioni del genere. Al di sotto di L1 o comunque per stati stazionari come C, il grado di conversione della reazione di solito risulta troppo basso, occorre quindi trovarsi nella situazione A o superiore a L2. Se consideriamo infatti le curve limite superiore e inferiore si può notare come, scaldando i reagenti a una temperatura T0 tale che si raggiunga la situazione del punto L2, il sistema si porti a rapidamente temperature superiori superando L2H (si dice che ha raggiunto la temperatura di ignizione); al contrario raffreddando i reagenti a una temperatura T0 tale che si raggiunga la situazione del punto L1 il sistema si porta rapidamente a temperature basse inferiori a L1L (si dice che ha raggiunto la temperatura di spegnimento). Un reattore viene definito in funzionamento autotermico se è in grado di fornire almeno il calore necessario al suo mantenimento in funzione, ovvero se è in grado di mantenere le rette al di sopra di L2. Reattore a flusso a pistone Considerando i bilanci entalpico e di materia a una sezione infinitesima di reattore dz possiamo scrivere: ~ ⎧ ⎛ ⎞ C R , 0 − ∆H reazione ⎜ dZ R ⎟⎟ = q = −UdA(T − Tc ) ⎪Φ m ⎜ c P dT − ρ0 νR ⎪ ⎝ ⎠ ⎨ C R ,0 ⎪ dZ R = RR dV − Φ m ⎪ ρ0 ⎩ dove dA = πD( z )dz; dV = S ( z )dz per cui i bilanci si possono scrivere, in analogia a quanto scritto precedentemente, come: ( ) 7 ( ) ~ ⎧ C R ,0 − ∆H reazione dZ R dZ R ρUπD dT dT (T − Tc ) − ρc P = ρc P − ρc P ∆Tad =− ⎪ ρc P Φm ρ 0 c Pν R dz dz dz dz ⎪ ⎨ ⎪− Φ m C dZ R = R R ⎪ ρ S R , 0 dz 0 ⎩ Per ottenere un reattore PFR isotermo occorrerebbe fornire o sottrarre calore in modo variabile lungo il reattore, questo non è di facile realizzazione e non viene mai fatto. Il profilo di temperatura lungo il reattore non è costante e nemmeno lineare. La produzione di calore avviene in modo non lineare e maggiormente nella prima parte del reattore per cui generalmente la temperatura, in presenza di reazioni esoterme, prima cresce e poi raggiunto un massimo diminuisce (quando dZR/dt diminuisce in quanto le concentrazioni basse di reagenti limitano la velocità di reazione). T Adiabatica q/dz Isoterma 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 z/L 8