Chemical Engineering - Industrial Organic Chemistry

Criteri Meccanismo Reattori

Divided by topic

Andrea Landella POLITECNICO DI MILANO 1 Criteri di Scelta di Reattori per Meccanismi in Serie e Parallelo Si ha una reazione a partire da l reagente A, volendo ottenere il prodotto B e limitare lo scarto , co -prodotto C. Vi sono due principali meccanismi per i quali tale reazione può prendere parte: A → B → C Reazioni in S erie A → B ; A → C Reazioni in P arallelo Sulla base di questi due meccanismi, si definiscono dei parametri caratteristici per conoscere le proprietà ot- timali dei reattori ospitanti la reazione. Prima è la c onversione del reagente A Seconda è la resa del prodotto desiderato B , e per ultima, la s elettività istantanea del prodotto desiderato B . Le reazioni possono avvenire in un reattore PFR o CSTR . Le condizioni di reazione sono ideali, quindi l’am- biente di reazione è considerato isotropo, omogeneo, isotermo, con perdite di carico trascurabili e conside- rando miscele ideali. Le reazioni hanno variazione di numero di moli totali δ = 0, quindi la portata volume- trica Q è costante. Le equazioni di bilancio di materia (BM) per tutte le quattro possibili correlazioni fra rea- zioni e reattori , per la specie A, sono BM Serie per A BM Parallelo per A PFR CSTR Questi si possono ridurre nelle seguenti espressioni, dove K è il parametro di reazione con , K = k1 nel caso di meccanismo in serie e K = k1 + k2 nel caso di meccanismo parallelo BM Generale per A PFR CSTR 0 1 A A A C C  =− 0 0 BB A CC C  − = , , fB fC I R R  = 1 A A dC Q k C dV =− 12( ) A A dC Qk V kC d = − + 0 1 0 A AA C Q C Q k C V − − = 12 0 ( ) 0 AA AC Q C Q k k C V − − + = A A dC Q KC dV =− 0 0 A AA C Q C Q KC V − − = Andrea Landella POLITECNICO DI MILANO 2 La conversione e rispettivamente la concentrazione di A e B si ottengono sostituendo le definizioni sopra ri- portate ed integrando/risolvendo i bilanci. τ = V/Q è costante. Conversione A PFR CSTR Nel caso della concentrazione della specie B, le equazioni di bilancio cambiano come BM Serie per B BM Parallelo per B PFR CSTR che, una volta risolte ( posto ) danno BM Serie per B BM Parallelo per B PFR CSTR La selettività istantanea per entrambi i reattori dà lo stesso risultato, infatti SI Serie SI Parallelo PFR CSTR Ne l meccanismo in serie la selettività istantanea dipende dal rapporto delle concentrazioni delle specie A e B, e dalla temperatura; in particolare essendo le concentrazioni dipendenti dal tempo di contatto τ, allora ren- dono la selettività istantanea dipendente da τ. A ragione di ciò, la performance di reazione del meccanismo in serie si decide ottimizzando il tempo di contatto . Nel caso del meccanismo in parallelo, la selettività istanta- nea dipende solo dalla temperatura, quindi non dipende dalla dimensione (tempo di contatto) del reattore. Si può dedurre che per una reazione in serie, dove il c ontrollo sul tempo di contatto incide sulla performance di reazione, si deve operare un PFR ; per una reazione in parallelo , dove il controllo del tempo di contatto è ininfluente sulla performance di reazione, si deve operare un CSTR. Tuttavia, resta da chi edersi quale sia il criterio di ottimizzazione per τ. Si inizia a stabilire un primo criterio, ovvero la massimizzazione della resa η definita inizialmente. Si dimostrerà che non esiste un volume ottimale per le reazioni in parallelo , e dovrà in seguito es sere stabilito un secondo criterio. Di seguito, si presentano tutte le possibili espressioni della resa η: 1 A Ke   − =− 0 A K A C Ce − = 1 A K K    = + 0 1 1 AAC C K = + 12 B AB dC Q k C k C dV =− 1 B A V dC Q k C d = 12 0 ( ) 0 BB AB C Q C Q k C k C V − + − = 0 1 0 B BA C Q C Q k C V − + = 0 0 BC = ( ) 12 0 1 21 k k BA k C C e e kk − − =− − ( ) 12( ) 0 1 2 1 1 B kk A k C C e kk  −+ =− + 0 1 2 1 2 1 2 1 ( ) B A k C k k C kk   = + + + 0 1 12 1 ( ) BA k CC kk   = ++ , 1 ,2 fB A f C B I RC k R C k  == , 1 ,2 fB fC I R Rk k  == Andrea Landella POLITECNICO DI MILANO 3 Resa Serie Resa Parallelo PFR CSTR con il tempo di contatto τ ottimale, tale che la derivata ∂η/∂τ = 0, rende Tempo di Contatto Serie Tempo di Contatto Parallelo PFR CSTR Pertanto, si è dimostrato che non esiste volume ottimale per il meccanismo in parallelo, mentre per il mecca- nismo in serie si è ottenuto il valore ottimale per il reattore PFR designato. Di conseguenza, il secondo crite- rio creato per ottimizzare il tempo di contatto solamente per reattore CSTR nel caso di meccanismo in paral- lelo, richiede la minimizzazione/massimizzazione di una variabile esterna al tempo di contatto (quindi le concentrazioni) e alla temperatura. Il secondo criterio dovrà includere una variabile esterna a quelle citate, usualmente di nat ura economica (ottimo fra produttività e costo totale installato), la quale dipenderà caso per caso dalle richieste d’impianto e di processo. ( ) 12 1 21 k k k ee kk   − − =− − ( ) 12( 21 ) 1 1 kk k e kk   −+ =− + 1 2 1 2 1 2 1 ( ) k kk kk   + = ++ 1 12 1 ( ) k kk    = ++ 2 2 1 1 1 ln opt k k k k  = − opt = + ( )21/ 2 1 1 opt kk  = opt =+ 