Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 1

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ ΟΡΙΑΚΟ ΑΝΤΙΔΡΟΝ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΟΝΑΔΕΣ ΚΑΥΣΗΣ VOCs ΧΗΜΕΙΑ ΤΗΣ ΟΞΕΙΔΩΣΗΣ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 2

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ ΜΑΘΗΜΑΤΟΣ Το μάθημα αφορά τη μελέτη των Χημικών Αντιδραστήρων. Βασικός στόχος είναι η εκμάθηση του σχεδιασμού, του ελέγχου και της αριστοποίησης λειτουργίας Χημικών Αντιδραστήρων μέσω ανάλυσης και πρόβλεψης της συμπεριφοράς των. Στο συγκεκριμένο μάθημα δίδεται η ευκαιρία με τη σύνθεση γνώσεων από διάφορα βασικά μαθήματα όπως, Φαινόμενα Μεταφοράς (μεταφορά μάζας, θερμότητας, ορμής), Θερμοδυναμική, Χημική Κινητική, Κατάλυση και Μαθηματικά να αποκτηθούν καινούργιες, πάνω στην ανάλυση και τον σχεδιασμό των Χημικών Αντιδραστήρων. Ο μηχανικός που ασχολείται με τις χημικές διεργασίες θα πρέπει : να κατανοεί τις αρχές των χημικών αντιδράσεων και να μπορεί να αναλύει, να σχεδιάζει και να λειτουργεί τα συστήματα και τις διεργασίες στις οποίες διεξάγονται χημικές αντιδράσεις Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 3

ΒΑΣΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΗΜΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ ΦΥΣΙΚΕΣ (ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΣ, ΚΑΘΑΡΙΣΜΟΣ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ) ΧΗΜΙΚΕΣ (ΧΗΜΙΚΟΙ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ) ΟΙ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΕΝΕΣ Ή/ΚΑΙ ΚΑΘΑΡΕΣ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ ΑΝΤΙΔΡΟΥΝ ΓΙΑ ΝΑ ΔΗΜΙΟΥΡΓΗΣΟΥΝ ΠΡΟΪΟΝΤΑ ΜΕ ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΕΣ ΦΥΣΙΚΕΣ Ή/ΚΑΙ ΧΗΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΑ ΧΗΜΙΚΗΣ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΑΣ Πρώτες ύλες Φυσικός διαχωρισμός/καθαρισμός Χημικός Αντιδραστήρας ανακύκλωση απόβλητα Προϊόντα Υποπροϊόντα 4 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 4

BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 5

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (i) Χημική αντίδραση είναι η μετατροπή μιας χημικής οντότητας σε μια άλλη. Με τον όρo χημική οντότητα εννοούμε μια χημική ένωση με μια ορισμένη ταυτότητα Η ταυτότητα καθορίζεται από το είδος, τον αριθμό και τη διαμόρφωση των ατόμων της οντότητας Μια χημική αντίδραση έλαβε χώρα αν ένας αριθμός μορίων μιας ή περισσοτέρων οντοτήτων έχασαν την ταυτότητά τους και συνεπώς έλαβαν καινούργια ταυτότητα με μεταβολές στον αριθμό ή το είδος ή τη διαμόρφωση των ατόμων της οντότητας Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 6

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΧΗΜΙΚΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΙΣ (ii) 1) Διάσπαση, όπου ένα μόριο διασπάται σε μικρότερα μόρια ή άτομα C6H5CH(CH3)2  C6H6 + C3H6 2) Σύνθεση, με άλλα μόρια ή άτομα C6H6 + C3H6  C6H5CH(CH3)2 3) Ισομερισμός, μεταβολή δηλαδή της διαμόρφωσης του μορίου CH3 CH3 ι ι CH 2 = C – CH2CH3  CH2 – C = CHCH3 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 7

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 8

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ (i) Ο ρυθμός αντίδρασης ορίζεται ως ο αριθμός των moles μιας χημικής ένωσης, π.χ. Α που χάνουν τη χημική τους ταυτότητα σε μοναδιαίο χρόνο και σε μοναδιαίο όγκο μίγματος της αντίδρασης Ο ρυθμός με τον οποίο μια χημική αντίδραση εξελίσσεται μπορεί να εκφραστεί με διάφορους τρόπους (ρυθμός εξαφάνισης αντιδρώντων ή ρυθμός σχηματισμού προϊόντων) Α  2Β + Γ -rA : αριθμός moles της ένωσης Α που αντιδρά (εξαφανίζεται) σε μοναδιαίο χρόνο, σε μοναδιαίο όγκο, με διαστάσεις moles A/sec m3 rB : αριθμός moles της ένωσης Β που σχηματίζονται σε μοναδιαίο χρόνο, σε μοναδιαίο όγκο, με διαστάσεις moles Β/sec m3 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 9

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ..Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ (ii) Η εξίσωση ρυθμού μιας αντίδρασης, rj, είναι Συνάρτηση των ιδιοτήτων του αντιδρώντος μίγματος (π.χ. συγκέντρωση ενώσεων, θερμοκρασία, πίεση, είδος καταλύτη, κλπ.) σ΄ένα ορισμένο σημείο του συστήματος και Ανεξάρτητη από το είδος του αντιδραστήρα (διαλείποντος έργου, συνεχούς ροής, κλπ.) στον οποίο γίνεται η αντίδραση Μπορεί να είναι συνάρτηση χώρου του αντιδραστήρα και συνεπώς να διαφέρει από σημείο σε σημείο μέσα στο σύστημα (ιδιότητες μίγματος της αντίδρασης μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με την θέση του αντιδραστήρα) Η εξίσωση ρυθμού μιας χημικής αντίδρασης είναι μια αλγεβρική εξίσωση που εκφράζει την εξάρτηση του ρυθμού στη θερμοκρασία και στις συγκεντρώσεις αντιδρώντων ή προϊόντων Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ..Καθηγήτρια 10

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΡΥΘΜΟΣ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΕΩΝ (iii) Για την αντίδραση Α  Προϊόντα, ο ρυθμός μπορεί να είναι γραμμική συνάρτηση της συγκέντρωση της ένωσης Α -r A = k CA (1) ή μπορεί να είναι μια άλλη αλγεβρική συνάρτηση της συγκέντρωσης -r A = k CA2 (2) ή ακόμα -r A = (k1 CA) / (1+ k2 CA) (3) Για κάθε αντίδραση, η εξάρτηση του ρυθμού από συγκεντρώσεις αντιδρώντων / προϊόντων βρίσκεται με πειραματισμό Στις παραπάνω εξισώσεις ρυθμού, k είναι η σταθερά της αντίδρασης ή ειδική σταθερά. Η σταθερά k είναι ανεξάρτητη οποιασδήποτε συγκέντρωσης, είναι όμως ισχυρή συνάρτηση της θερμοκρασίας. Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 11

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΟΡΙΑΚΟ ΑΝΤΙΔΡΟΝ Σε ένα αντιδρόν σύστημα, το αντιδρόν το οποίο είναι παρόν με τη μικρότερη στοιχειομετρική ποσότητα λέγεται οριακό αντιδρόν SO2 + ½ O2  SO3 Σύμφωνα με τη στοιχειομετρία απαιτούνται 1mol ή 64Kg SO2 και 0.5mol ή 16Kg O2 για την παραγωγή 1mol ή 80 kg SO3 Εάν το μίγμα της αντίδρασης περιέχει 64Kg SO2 και 16Kg O2 δεν υπάρχει οριακό προιόν Εάν το μίγμα της αντίδρασης περιέχει 64Kg SO2 και 20Kg O2 τότε το οξυγόνο είναι σε περίσσεια και το οριακό αντιδρόν είναι το SO2 Εάν το μίγμα της αντίδρασης περιέχει 80Kg SO2 και 16Kg O2 τότε το SO2 είναι σε περίσσεια και το οριακό αντιδρόν είναι το οξυγόνο Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 12 12

BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 13

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ (i) Στη διεξαγωγή μιας χημικής διεργασίας υπάρχει πάντα μια κύρια αντίδραση με ή χωρίς δευτερεύουσες αντιδράσεις 2 H2 (g) + O2 (g)  2 H2O (l) (4) Σε ένα σύστημα στο οποίο υπάρχουν S χημικές οντότητες (ενώσεις, στοιχεία) η αντίδραση μπορεί να γενικευτεί στη μορφή (5) όπου Xj(Φ) είναι ο χημικός τύπος της οντότητας j στη φυσική κατάσταση Φ {δηλ. αέριο (g), υγρό (l), ή στερεό (s)} και νj είναι ο στοιχειομετρικός συντελεστής της οντότητας j, αρνητικός αν το j είναι αντιδρόν, θετικός αν είναι προϊόν και μηδέν αν είναι αδρανές Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 14

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ (ii) Έτσι την παραπάνω αντίδραση μπορούμε να την γράψουμε v1X1(Φ) + v2X2(Φ) + v3X3(Φ) = 0 (6) X1(Φ) = H2 (g), v1 = -2 X2(Φ) = O2 (g), v2 = -1 X3(Φ) = H2O (l), v3 = 2 Για πολλαπλές αντιδράσεις, οι γενικευμένες εξισώσεις είναι Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 15

ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ (iii) Προσθέτοντας Αν ακόμη ορίσουμε Τότε Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ..Καθηγήτρια 16

BAΣΙΚΟΙ ΟΡΙΣΜΟΙ : ΡΥΘΜΟΣ, ΠΡΟΟΔΟΣ, ΣΤΟΙΧΕΙΟΜΕΤΡΙΑ ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 17

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (i) Για να μετρηθεί η πρόοδος της αντίδρασης πρέπει να ορίσουμε μια παράμετρο που να εκφράζει ποσοτικά το βαθμό μετατροπής των αντιδρώντων σε προϊόντα. Συνήθως διαλέγουμε ένα από τα αντιδρώντα για τους υπολογισμούς και σχεδόν πάντα, το αντιδρόν αυτό είναι το οριακό αντιδρόν Ας θεωρήσουμε την γενική αντίδραση α Α + β Β  γ Γ + δ Δ όπου τα κεφαλαία γράμματα αντιπροσωπεύουν χημικές ενώσεις και τα μικρά στοιχειομετρικούς συντελεστές Ορίζουμε την μετατροπή ως προς το αντιδρόν Α ως εξής ΝΑ0 είναι ο αρχικός αριθμός moles της ένωσης Α ΝΑ είναι ο αριθμός moles Α στο μίγμα της αντίδρασης Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 18

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (ii) Συνεπώς η παράμετρος Χ΄Α είναι πράγματι μέτρο προόδου της αντίδρασης αφού συμβολίζει τον αριθμό moles του αντιδρώντος Α που έχουν αντιδράσει σε κάποιο χρόνο Παρομοίως μπορούμε να ορίσουμε τη μετατροπή ως προς το αντιδρόν Β Πιο συχνά όμως κλασματικές μετατροπές χρησιμοποιούνται που ορίζονται Είναι φανερό από τις παραπάνω σχέσεις ότι Συνεπώς η μετατροπή ορίζεται με βάση ένα καθορισμένο αντιδρόν και στη γενική περίπτωση, η αριθμητική τιμή της μετατροπής ως προς ένα αντιδρόν είναι διαφορετική από αυτή ως προς άλλο αντιδρόν Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 19

X2 = v2/v1 (N1-N10), X3 = v3/v1 (N1-N10), X4 = v4/v1 (N1-N10) ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (iii) Ας εξετάσουμε τη γενική αντίδραση ν1Χ1 + ν2Χ2 + ν3Χ3 + ν4Χ4 = 0 (17) Για την αντίδραση αυτή μπορούμε να κατασκευάσουμε τον ακόλουθο στοιχειομετρικό πίνακα Χημική οντότητα Αρχικό ποσόν Τελικό ποσόν Μετατροπή (moles) (moles) (moles) X1 N10 N1 N1-N10 X2 N20 N2 N2-N20 X3 N30 N3 N3-N30 X4 N40 N4 N4-N40 Σύμφωνα με τη στοιχειομετρία της αντίδρασης για κάθε N1-N10 moles της X1 που αντιδρούν, οι ποσότητες των άλλων οντοτήτων που αντιδρούν είναι X2 = v2/v1 (N1-N10), X3 = v3/v1 (N1-N10), X4 = v4/v1 (N1-N10) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 20

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (iv) Συνεπώς v2/v1 (N1-N10) = N2-N20 (18) v3/v1 (N1-N10) = N3-N30 (19) v4/v1 (N1-N10) = N4-N40 (20) και από τις εξισώσεις αυτές παίρνουμε την ακόλουθη ισότητα N1-N10 = N2-N20 = N3-N30 = N4-N40 = ξ (21) ν1 ν2 ν3 ν4 όπου η παράμετρος ξ, όπως ορίστηκε στην παραπάνω εξίσωση είναι όντως μέτρο προόδου της αντίδρασης και λέγεται ‘μοριακή έκταση’ της αντίδρασης ή ‘βαθμός προόδου’ της αντίδρασης Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 21

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (v) Η παραπάνω σχέση μπορεί να γενικευτεί στη μορφή (22) H αριθμητική τιμή της παραμέτρου ξ είναι ίδια για όλα τα αντιδρώντα και προιόντα σε αντίθεση με την αριθμητική τιμή της κλασματικής μετατροπής Μια που η κλασματική μετατροπή και ο βαθμός προόδου της αντίδρασης εκφράζουν, λίγο πολύ, την ίδια έννοια θα πρέπει να υπάρχει κάποια σχέση μεταξύ τους Από το ορισμό του ξ Νj = Nj0 + νj ξ (23) H κλασματική μετατροπή ορίζεται, σχεδόν πάντα, ως προς το οριακό αντιδρόν. Αν αυτό το αντιδρόν είναι ΧΚ τότε η παραπάνω εξίσωση μπορεί να γραφεί για το οριακό αντιδρόν ΝΚ = ΝΚ0 + νΚ ξ (24) Όπως είδαμε η κλασματική μετατροπή ορίζεται από τη σχέση ΝΚ = ΝΚ0 (1- ΧΚ) (25) Από τις δύο αυτές εξισώσεις ΝΚ0 + νΚξ = ΝΚ0 (1- ΧΚ) ==> ξ = - (ΧΚ/νΚ) ΝΚ0 (26) Πρέπει να σημειωθεί ότι η κλασματική μετατροπή είναι αδιάστατη ενώ ο βαθμός προόδου έχει διαστάσεις moles Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 22

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (vι) Aπό τις εξισώσεις 23 & 24 (27) Ορίζουμε (28) Tότε από την εξίσωση 23 Ν = Ν0 + ν ξ (29) και από τις εξισώσεις 23 και 29 (30) όπου δ = ξ/Ν0 Αντικαθιστώντας την εξ. 26 στην εξ. 30 το μοριακό κλάσμα της οντότητας j μπορεί ακόμα να εκφραστεί με την κλασματική μετατροπή ως εξής (31) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 23

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΠΡΟΟΔΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΗΣ (vιι) Όταν λαμβάνουν χώρα πολλαπλές αντιδράσεις, ο αριθμός mol της οντότητας j είναι και το μοριακό κλάσμα της οντότητας j είναι όπου δi = ξi /N0 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 24

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΧΗΜΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 25

ΧΗΜΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ Απαιτεί καθαρή τροφοδοσία για αποφυγή ανεπιθύμητων αντιδράσεων – δηλητηρίαση του καταλύτη. Πρέπει να χρησιμοποιηθεί διεργασία διαχωρισμού για να καθαριστούν οι πρώτες ύλες πριν την τροφοδοσία τους Αν και απαιτεί καθαρή τροφοδοσία, σχεδόν ποτέ δεν παράγει καθαρό προϊόν. Στην έξοδο υπάρχουν συστατικά (ενώσεις) από την παροχή (αντιδρώντα) που δεν έχουν αντιδράσει, καθώς και υποπροϊόντα αντιδράσεων άλλων από την κύρια ή την επιθυμητή αντίδραση Τα προϊόντα της αντίδρασης είναι συνήθως περισσότερα από ένα Τα επιθυμητά προϊόντα πρέπει να είναι μεγάλης καθαρότητας για να είναι χρήσιμα  σειρά διεργασιών διαχωρισμού Θα ασχοληθούμε αποκλειστικά με τη χημική μετατροπή της ύλης και συνεπώς με το χημικό αντιδραστήρα. Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 26

ΧΗΜΙΚΟΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΑΣ BAΣΙΚΑ ΘΕΜΑΤΑ : 1. Tύπος και Μέγεθος Αντιδραστήρα 2. Εναλλαγή ενέργειας μεταξύ του αντιδραστήρα και του περιβάλλοντος 3. Συνθήκες λειτουργίας του αντιδραστήρα (θερμοκρασία, πίεση, συγκεντρώσεις αντιδρώντων, καταλύτης) ΑΛΛΑ ΘΕΜΑΤΑ : 1. Oικονομικά (Bελτιστοποίηση συνθηκών λειτουργίας, ανάλυση κόστους/κέρδους) 2. Ευστάθεια του αντιδραστήρα 3. Έλεγχος, 4. Υλικά κατασκευής και 5. Κλιμάκωση μεγέθους του αντιδραστήρα Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 27

ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ 1. Αντιδράσεις που λαμβάνουν χώρα στον αντιδραστήρα (ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ) [Πιθανές αντιδράσεις, σύσταση μίγματος αντίδρασης σε κατάσταση ισορροπίας, περιοχές θερμοκρασίας, πίεσης] 2. Ποσά θερμότητας που εκλύονται ή απορροφούνται κατά την διάρκεια της αντίδρασης (ΘΕΡΜΟΔΥΝΑΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ) 3. Πόσο γρήγορα θα γίνει η αντίδραση (ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ) [Ρυθμός αντίδρασης, σταθερά ρυθμού, χρόνος αντίδρασης] 4. Τι είδος (τύπος) και μέγεθος αντιδραστήρα πρέπει να χρησιμοποιηθεί και με τι τιμές θερμοκρασίας, πίεσης και συγκέντρωσης τροφοδοσίας πρέπει να λειτουργήσει ο αντιδραστήρας (ΧΗΜΙΚΗ ΚΙΝΗΤΙΚΗ- ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ) 5. Είναι η παραγωγή οικονομικά επικερδής (ΟΙΚΟΝΟΜΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ) [Αριστοποιημένες συνθήκες λειτουργίας αντιδραστήρα] Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. .Καθηγήτρια 28

Με βάση το μηχανισμό αντίδρασης 1. Αναντίστρεπτες Α Β 2. Αμφίδρομες 3. Παράλληλες Α Γ 4. Επάλληλες Α Β Γ 5. Περίπλοκες Γ 29 Δρ. Μαρία Γούλα, Επ.Καθηγήτρια 29

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 30

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ ΟΜΟΓΕΝΕΙΣ ή ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ (Με βάση τις ιδιότητες του αντιδρώντος συστήματος) ΣΥΝΕΧΟΥΣ ή ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (Με βάση τον τρόπο λειτουργίας τους) ΔΟΧΕΊΑ ΑΝΑΔΕΥΣΗΣ ή ΑΥΛΩΤΟΙ (Με βάση τη μορφή ή το σχήμα των αντιδραστήρων) ΙΣΟΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΚΟΙ ή ΑΔΙΑΒΑΤΙΚΟΙ (Με βάση τη θερμική τους συμπεριφορά) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 31

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. .Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΧΗΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΩΝ Η πιο ωφέλιμη ταξινόμηση για βιομηχανικούς αντιδραστήρες είναι ΜΕ ΒΑΣΗ ΤΟΝ ΤΡΟΠΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΟΥΣ και διακρίνονται στους ακόλουθους τύπους Διαλείποντος έργου (Batch) Ημιδιαλείποντος έργου (Semibatch) Αυλωτοί (Τubular) Συνεχούς Λειτουργίας με Ανάδευση (CSTR-Continuous Stirred Tank Reactor) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. .Καθηγήτρια 32

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (Batch) Ο πιο κοινός βιομηχανικός τύπος αντιδραστήρα Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 33

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (BATCH REACTOR) Χρησιμοποιούνται : Σε διεργασίες μικρής κλίμακας (μικρής παραγωγής) Σε πολύπλοκες διεργασίες παραγωγής πολύ ακριβών προϊόντων (π.χ. φαρμακοβιομηχανίες) Σε δοκιμές νέων διεργασιών που δεν έχουν αναπτυχθεί πλήρως ή σε διεργασίες που είναι δύσκολο να γίνουν συνεχείς Πλεονεκτήματα Γενική ευελιξία Μεγάλη μετατροπή  υψηλή απόδοση Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος λειτουργίας (εργατικό κόστος) Μικρή κλίμακας παραγωγή Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 34

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (BATCH REACTOR) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 35

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ ΗΜΙ-ΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (SEMIBATCH REACTOR) Τύποι Semi Batch Αντιδραστήρων 1. Συνεχή εκροή προϊόντων ή κατασταλάγματος ή μη αναμίξιμων υγρών 2. Συνεχή εισροή ενός αντιδρώντος σε υγρή, στερεή ή αέρια κατάσταση 3. Περιοδική εισροή ενός αντιδρώντος και περιοδική εκροή ενός προϊόντος Πλεονεκτήματα H συγκέντρωση ενός αντιδρώντος μπορεί εύκολα να κρατηθεί σε χαμηλά ή υψηλά επίπεδα, πράγμα το οποίο μπορεί να βοηθήσει στην ελαχιστοποίηση ανεπιθύμητων αντιδράσεων Πολύ καλό έλεγχο της θερμοκρασίας Μειονεκτήματα Υψηλό κόστος λειτουργίας (εργατικό κόστος) Μικρή κλίμακας παραγωγή Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 36

ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ HMIΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (Semi-Batch) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 37 37

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ HMIΔΙΑΛΕΙΠΟΝΤΟΣ ΕΡΓΟΥ (Semi-Batch) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ.Καθηγήτρια 38 38

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Αυλωτός αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) (i) Είναι συνεχούς λειτουργίας και συνήθως λειτουργεί σε μόνιμη κατάσταση Χρησιμοποιείται τόσο με αέρια όσο και με υγρά σε μονάδες παραγωγής μεγάλου όγκου Λειτουργεί είτε στη μορφή ενός σωλήνα μεγάλου μήκους είτε στη μορφή πολλών μικρών σωλήνων σε δέσμη Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 39

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Αυλωτός αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) (ii) Πλεονεκτήματα Μεγάλη απόδοση σε όλα τα στάδια της αντίδρασης Εύκολος στη συντήρηση επειδή δεν έχει κινούμενα μέρη Έχει την μεγαλύτερη μετατροπή ανά όγκο αντιδραστήρα από όλους τους αντιδραστήρες συνεχούς ροής Μειονεκτήματα Δυσκολία ελέγχου της θερμοκρασίας στον αντιδραστήρα με αποτέλεσμα υψηλές τοπικές θερμοκρασίες ιδιαίτερα όταν οι αντιδράσεις είναι εξώθερμες Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 40

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ Αυλωτός αντιδραστήρας εμβολικής ροής (PFR) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 41

Δρ. Μαρία Γούλα, Επ.Καθηγήτρια 42 42

Αντιδραστήρας Συνεχούς Λειτουργίας με Ανάδευση (CSTR) Λειτουργεί συνήθως σε μόνιμη κατάσταση είτε μόνος του είτε σε συστοιχία αντιδραστήρων Πλήρη μίξη αντιδρώντων και προϊόντων Ανάδευση με τάρακτρο Ρύθμιση θερμοκρασίας με ψυκτικό μανδύα ή σερπαντίνα ατμού Διατήρηση ισοθερμοκρασιακών συνθηκών είναι σχετικά εύκολη Το μειονέκτημα του είναι ότι η μετατροπή των αντιδρώντων ανά όγκο αντιδραστήρα είναι η μικρότερη από τους αντιδραστήρες συνεχούς ροής Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 43

Αντιδραστήρας Συνεχούς Λειτουργίας με Ανάδευση (CSTR) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 44

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ΄. Καθηγήτρια 45 45

Αντιδραστήρας Συνεχούς Λειτουργίας με Ανάδευση (CSTR) Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 46

ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ Αντιδραστήρας Σταθεράς ή Σταθεροποιημένης Κλίνης (Fixed bed Reactor) Χρησιμοποιείται ουσιαστικά σε καταλυτικές αντιδράσεις αερίων Είναι αυλωτός αντιδραστήρας που περιέχει τον στερεό καταλύτη σε μορφή μικρών σωματιδίων Έχει τα ίδια προβλήματα ελέγχου θερμοκρασίας με αντιδραστήρα τύπου PFR Άλλες δυσκολίες αφορούν την αλλαγή του καταλύτη Δίνει τη μεγαλύτερη μετατροπή ανά βάρος καταλύτη από όλους τους καταλυτικούς αντιδραστήρες Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 47

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 48

ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΕΤΕΡΟΓΕΝΕΙΣ ΑΝΤΙΔΡΑΣΤΗΡΕΣ Αντιδραστήρας Ρευστοποιημένης Κλίνης (Fluidized Bed Reactor) Είναι ανάλογος με τον αντιδραστήρα τύπου CSTR στο γεγονός ότι τα περιεχόμενα του, αν & ετερογενή είναι καλά αναμεμιγμένα Ομοιόμορφη κατανομή θερμοκρασίας σε όλο το μήκος της κλίνης Ο αντιδραστήρας μπορεί να λειτουργήσει με μεγάλες ποσότητες αντιδρώντων και καταλύτη και ταυτόχρονα με καλό έλεγχο της θερμοκρασίας. Ο καταλύτης εύκολα ανανεώνεται ή ενεργοποιείται. Βασικό μειονέκτημά του η ανάμιξη & το υψηλό κόστος Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 49

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 50

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 51

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 52

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 53

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (i) Τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας σε κάθε συσκευή είναι απαραίτητα για : α) την επιλογή του εξοπλισμού και β) την διαστασιολόγησή του Ο νόμος διατήρησης της μάζας και της ενέργειας, ο οποίος είναι η βάση για τους υπολογισμούς των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας, μπορεί να εκφραστεί ως (συσσώρευση) = (είσοδος) – (έξοδος) + (καθαρή παραγωγή) όπου (καθαρή παραγωγή) = παραγωγή - κατανάλωση Για λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση (steady state) (δηλαδή για t  ∞), όλες οι παράμετροι λειτουργίας είναι ανεξάρτητες από το χρόνο και η παραπάνω εξίσωση γίνεται: 0 = είσοδος – έξοδος + καθαρή παραγωγή Στην πλειονότητα των περιπτώσεων, η παραπάνω εξίσωση περιγράφει τα ισοζύγια μάζας και ενέργειας γύρω από τον εξοπλισμό ελέγχου ρύπανσης ο οποίος είναι σχεδιασμένος για λειτουργία σε μόνιμη κατάσταση. Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 54

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (ii) Απαραίτητα βήματα για την κατάστρωση ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. 1. Σχεδιάζουμε το διάγραμμα ροής της διεργασίας. 2. Προσδιορίζουμε και χαρακτηρίζουμε όλα τα εισερχόμενα και εξερχόμενα ρεύματα. 3. Σημειώνουμε όλα τα διαθέσιμα δεδομένα στο σκαρίφημα. 4. Σχεδιάζουμε με διακεκομμένη γραμμή την περιοχή που περικλείει το τμήμα της διεργασίας (περιοχή ελέγχου) στο οποίο καταστρώνεται το ισοζύγιο. 5. Επιλέγουμε μία κατάλληλη βάση για τους υπολογισμούς. Ρεύμα Α 3000 acfm 15 gr/scf 10 psia 90 oF Ρεύμα B 2500 acfm 10 gr/scf 11 psia 110 oF C F D E Έξοδος κυκλώνα Αποβολή στερεών Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 55

ΙΣΟΖΥΓΙΑ ΜΑΖΑΣ ΚΑΙ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (iii) Γενικά συμπεράσματα για την επίλυση των εξισώσεων των ισοζυγίων μάζας και ενέργειας. 1. Για την άμεση επίλυση ταυτόχρονων εξισώσεων με n αγνώστους, απαιτούνται n ανεξάρτητες εξισώσεις. 2. Οι n απαιτούμενες εξισώσεις για ένα ισοζύγιο μάζας μπορεί να αποτελούνται από ένα συνολικό ισοζύγιο μαζί με C-1 ισοζύγια συστατικών, όπου C είναι ο αριθμός των συστατικών. 3. Εάν εξετάζονται ταυτόχρονα ένα ισοζύγιο ενέργειας και ένα ισοζύγιο μάζας, μία επιπρόσθετη ανεξάρτητη εξίσωση μπορεί να γραφεί για το συνολικό ισοζύγιο ενθαλπίας γύρω από το σύστημα. Λόγω της σημαντικής αύξησης του κόστους της ενέργειας, θα πρέπει κατά το σχεδιασμό να μειώσουμε την κατανάλωση ενέργειας στον εξοπλισμό ελέγχου. Η μείωση της χρήσης της ενέργειας μπορεί να επιτευχθεί με τα ακόλουθα : 1. Καλύτερο σχεδιασμό του εξοπλισμού που οδηγεί σε αυξημένες αποδόσεις 2. Καλύτερη επιλογή του εξοπλισμού για συγκεκριμένες εφαρμογές ελέγχου 3. Βελτιστοποίηση της λειτουργίας του εξοπλισμού μέσω της συχνής αξιολόγησης της απόδοσης του εξοπλισμού Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 56

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Αναφερόμενοι στο σύστημα της παρακάτω Εικόνας και υποθέτοντας μόνιμη κατάσταση, μπορούμε να γράψουμε το συνολικό ενεργειακό ισοζύγιο ως εξής (Uα + Zα + Kα) - (Ub + Zb + Kb) + Q - W + (PαVα) – (PbVb) = 0 Q = απορροφούμενη θερμότητα του συστήματος από το περιβάλλον (αυτή η θερμότητα είναι θετική εξ’ ορισμού) W = αποδιδόμενο μηχανικό έργο από το σύστημα στο περιβάλλον (αυτό το έργο είναι θετικό εξ’ ορισμού) a b Από διεργασία Φυσητήρας W εισερχόμενο έργο Συσκευή Ψύξης Κυκλώνας Q Εξερχόμενη θερμότητα Έξοδος αερίων Στερεά Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 57

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ (ii) Μπορούμε να ξαναγράψουμε την παραπάνω εξίσωση σε μία μορφή πιο χρήσιμη με ενσωμάτωση της έννοιας της ενθαλπίας H, όπου H = U + PV Σε ατμοσφαιρική πίεση ή κοντά σε αυτήν, ο αέρας συμπεριφέρεται σχεδόν ιδανικά και η ενθαλπία του είναι ουσιαστικά ανεξάρτητη της πίεσης. Κατά συνέπεια, η ενθαλπία του αέρα μπορεί να υπολογιστεί από CP = ειδική θερμότητα υπό σταθερή πίεση, Btu/lbm-oF T = απόλυτη θερμοκρασία, R Για θερμοκρασίες κάτω από 150οC, είναι ακριβές να χρησιμοποιήσουμε ΔΗ = Cp (avg) (Tb - Ta) όπου C P(avg) = μέσος όρος για (Tb + Tα)/2 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 58

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια Η ΕΞΙΣΩΣΗ ΤΗΣ ΣΥΝΟΛΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΣΕ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΡΟΗΣ ΣΕ ΜΟΝΙΜΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ (iii) Επομένως η εξίσωση γίνεται : gc = συντελεστής μετατροπής του νόμου του Νεύτωνα, 32.174 ft-lbm/lbf-sec2 α = συντελεστής διόρθωσης της κινητικής ενέργειας, ο οποίος επιτρέπει ο μέσος όρος της ταχύτητας υ να αντικατασταθεί από τη σημειακή ταχύτητα u (σημειώνεται ότι για τυρβώδεις ροές ο συντελεστής α συνήθως θεωρείται ότι είναι 1.0) = = είναι ίσες στη μόνιμη κατάσταση Για μία λεπτομερή προέλευση των βασικών ενεργειακών σχέσεων, ανατρέξτε σε κάποιο εισαγωγικό κείμενο θερμοδυναμικής. 59 Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 59

ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 60

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (i) Πρόβλημα 1. Τροφοδοτούμε έναν χημικό αντιδραστήρα με αέριο που περιέχει 60% άζωτο και 40% φωσφίνη (PH3) με παροχή 50 m3 h-1 σε πίεση 0.1 ΜPa και 0 °C. Η φωσφίνη διασπάται σε αέριο φωσφόρο και υδρογόνο. Στην έξοδο του αντιδραστήρα, η φωσφίνη έχει μετατραπεί κατά 70%, η συνολική πίεση είναι 0.5 MPa και η θερμοκρασία είναι 650 °C. Να υπολογιστούν: η ογκομετρική παροχή, οι μερικές πιέσεις και οι συγκεντρώσεις στην έξοδο του αντιδραστήρα. Να θεωρηθούν όλα τα αέρια ιδανικά. Πρόβλημα 2. Να υπολογιστεί η ταχύτητα διάσπασης του ΗΙ σύμφωνα με την αντίδραση: 2 HI(g) → H 2 (g) + I 2 (g) τη χρονική στιγμή που η ταχύτητα σχηματισμού του Ι 2 είναι 1.8×10-6mol∙L-1 ∙s-1 Πρόβλημα 3. Ένα μονομερές Α σε υδατικό διάλυμα (1 mol/L, 4 L/min) εισέρχεται σε αντιδραστήρα αναδευόμενου δοχείου συνεχούς ροής 2 L, ακτινοβολείται και πολυμερίζεται ως εξής: A → R → S → T Η συγκέντρωση στο εξερχόμενο ρεύμα είναι C A = 0.01 mol/L και για ένα ορισμένο προϊόν της αντίδρασης W ισχύει C W = 0.0002 mol/L. Βρείτε την ταχύτητα αντίδρασης του Α και την ταχύτητα σχηματισμού του W. Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 61

Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια ΧΗΜΙΚΕΣ ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ (ii) Πρόβλημα 4. Μια υγρή τροφοδοσία των Α και Β (400 L/min, 100 mmol A/L, 200 mmol B/L) μετατρέπεται σε προϊόν σε έναν αντιδραστήρα εμβολικής ροής. Η κινητική της αντίδρασης είναι η εξής: Α + Β → R, -rA = 200 CA CB mol / L min Βρείτε τον απαιτούμενο όγκο αντιδραστήρα για βαθμό μετατροπής του Α ίσο προς 99.9%. Πρόβλημα 5. Καθαρό αέριο Α (1mol/L) εισέρχεται σε αντιδραστήρα αναδευόμενου δοχείου συνεχούς ροής όγκου 2 λίτρων, και αντιδρά ως εξής: 2Α → R, -rA = 0.05 C2A mol / L min Βρείτε το ρυθμό τροφοδοσίας (L/min) που απαιτείται για να δώσει στην έξοδο συγκέντρωση C A = 0.5 mol/L. Πρόβλημα 6. Θεωρείστε τη χημική αντίδραση στην αέρια φάση 2Α → R + 2S, της οποίας η κινητική είναι άγνωστη. Αν η ταχύτητα χώρου που απαιτείται για 90% μετατροπή του Α, σε αντιδραστήρα εμβολικής ροής, είναι 1/min, βρείτε τον αντίστοιχο χρόνο χώρου και το μέσο χρόνο του ρευστού στον αντιδραστήρα εμβολικής ροής. Δρ. Μαρία Γούλα, Αναπλ. Καθηγήτρια 62