Reaktiotekniikka. Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta Teema 4 Kaisa Lamminpää

Transkriptio

1 Reaktiotekniikka Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta Teema 4 Kaisa Lamminpää

2 Luennon sisältö Johdanto ja termejä Reaktiotekniikka Kemiallinen prosessitekniikka Kemialliset reaktiot Reaktioiden jaottelu Termodynaaminen tasapaino Reaktion nopeus Reaktorit Reaktorityypit Tila ja ohjaus Tehtävä

3 Termejä Kemiallinen prosessitekniikka on sellaisten kokonaisprosessien suunnittelua, joissa kemiallinen reaktio on keskeisessä asemassa. Kemiallisessa reaktiossa lähtöaineista syntyy kokonaan uusia aineita. Reaktiotekniikalla tarkoitetaan reaktorin suunnittelua niin että kemialliset reaktiot ovat hallinnassa. Reaktori on fyysinen laite, jossa reaktio tapahtuu. Termodynamiikka tutkii kemiallisissa ja fysikaalisissa ilmiöissä tapahtuvia energianmuutoksia.

4 Miksi reaktiotekniikkaa? Prosessisuunnittelun tavoitteena on toimiva prosessi, joka tuottaa taloudellista voittoa. Prosessin täytyy olla samaan aikaan: Taloudellinen Turvallinen työntekijöille ja ympäristölle Reaktiotekniikalla voidaan vaikuttaa Lähtöaineisiin ja tuotejakaumaan Turvallisuuteen Energian kulutukseen Prosessissa tapahtuvat ilmiöt täytyy tuntea tarkkaan!

5 Suomen kemianteollisuuden ydinalueet Lähde: Kemianteollisuus ry,

6 Kemialliset reaktiot Reaktioiden jaottelu Termodynaaminen tasapaino Reaktion nopeus

7 Reaktioiden jaottelu Kemiallisissa prosesseissa keskeisessä asemassa on kemiallinen reaktio. Reaktioita voidaan luokitella usealla eri perusteella sen mukaan, mihin seikkaan mielenkiinto kohdistuu. Eräs perinteinen jakotapa on luokitella reaktiot olennaisimman reaktioon osallistuvan komponentin mukaan.

8 Reaktioiden nimeäminen reaktantin mukaan Hapetus (reaktanttina happi O 2 ) Hydraus (reaktanttina vety H 2 ) Hydrolyysi (reaktanttina vesi) Nitraus (reaktanttina nitroryhmä -NO 2 ) Sulfonointi (reakt. sulfonihapporyhmä SO 3 H) Klooraus (reaktanttina kloori Cl) Esteröinti (reakt. alkoholi ja karboksyylihappo) Krakkaus (raakaöljyn raskaampien jakeiden muuttaminen kevyemmiksi) Polymerointi (monomeerien yhteenliittyminen)

9 Reaktioiden jaottelu muilla tavoin Edellä mainitut nimitykset ovat yleisesti käytössä toteutettuja prosesseja kuvailtaessa, mutta eivät kovin hyödyllisiä reaktion piirteiden kuvailuun. Kemialliset reaktiot voidaan jaotella myös niiden ominaisuuksien mukaan. homogeeniset ja heterogeeniset reaktiot katalyyttiset ja ei-katalyyttiset reaktiot yksi- ja monivaiheiset reaktiot eksotermiset ja endotermiset reaktiot reversiibelit ja irreversiibelit reaktiot

10 Homogeeniset ja heterogeeniset reaktiot Homogeenisessä reaktiossa kaikki reaktioon osallistuvat komponentit (lähtöaineet, tuotteet, katalyytti) ovat samassa faasissa. Synteesikaasureaktio: CH 4 (g) + H 2 O (g) CO (g) + 3 H 2 (g) Ksyloosin dehydrataatio furfuraaliksi: C 5 H 10 O 5 (aq) C 4 H 3 OCHO (l) + 3 H 2 O (l) Heterogeenisessä reaktiossa on läsnä vähintään kaksi faasia; toisen faasin voi myös muodostaa katalyytti. Koksin poltto: C (s) + O 2 (g) CO 2 (g)

11 Katalyyttiset ja ei-katalyyttiset reaktiot

12 Eksotermiset ja endotermiset reaktiot Kemialliseen reaktioon liittyy aina entalpian muutos eli lämpöenergiaa joko vapautuu tai sitoutuu. Eksotermisissä reaktioissa lämpöä vapautuu. Näiden reaktioiden reaktioentalpia on negatiivinen. Esimerkiksi hiilen palaminen: C + O 2 CO 2 H = -393,8 kj/mol Endotermisissä reaktioissa lämpöä sitoutuu. Näiden reaktioiden reaktioentalpia on positiivinen. Esimerkiksi kalsiumkarbonaatin hajoaminen: CaCO 3 CaO + CO 2 H = 177,9 kj/mol

13 Yksivaiheiset ja monivaiheiset reaktiot Yksivaiheisissa reaktioissa lopputuotteet syntyvät suoraan lähtöaineista: A B Monivaiheisissa reaktioissa tuotteet syntyvät välivaiheiden kautta: Sarjareaktio: A B C Rinnakkaisreaktio: A R A S Monivaiheisten reaktioiden tapauksissa prosessiolosuhteet optimoidaan halutun tuotteen kannalta mahdollisimman hyviksi.

14 Esimerkki sarjareaktiosta Natriumsulfaatin Na 2 SO 4 valmistus: H 2 SO 4 + NaCl NaHSO 4 + HCl (g) NaHSO 4 + NaCl Na 2 SO 4 + HCl (g)

15 Esimerkki rinnakkaisreaktiosta Ammoniakin poltto typpihappoteollisuudessa 4 NH O 2 4 NO + 6 H 2 O 4 NH O 2 2 N H 2 O

16 Reversiibelit ja irreversiibelit reaktiot Reversiibelit reaktiot ovat palautuvia eli ne voivat tapahtua kumpaan suuntaan tahansa. Reaktion suunta määräytyy reaktio-olosuhteiden mukaan. Esimerkki? Irreversiibelissä reaktiossa tasapaino on pysyvästi tuotteiden puolella eikä reaktiota saada tapahtumaan toiseen suuntaan edes olosuhteita muuttamalla. Natriumin reaktio veden kanssa on irreversiibeli reaktio: Na + H 2 O NaOH + ½ H 2

17 Termodynaaminen tasapaino Termodynaamisessa tasapainossa systeemin havaittavissa ominaisuuksissa ei tapahdu muutoksia. kuvaa sitä tilaa, jota kohti systeemi pyrkii spontaanisti. Prosessitekniikassa hyödynnettäviä termodynaamisen tasapainon ilmenemismuotoja ovat: kemiallisen reaktion tasapaino faasitasapaino (esim. VLE, LLE, VLLE) Lisäksi termodynaamisten kiertoprosessien hyödyntäminen on olennaista turbiinien ja kompressorien tarkastelussa.

18 Kemiallinen tasapaino Kemiallisessa tasapainossa reaktioseoksen koostumus ei muutu. Systeemi on dynaamisessa tasapainossa, kun reversiibelissä reaktiossa tuotteet reagoivat lähtöaineiksi samalla nopeudella, kun niitä muodostuu. Reversiibelit kemialliset reaktiot eivät etene loppuun saakka, vaan lopullisessa reaktioseoksessa on tuotteiden lisäksi myös lähtöaineita.

19 Le Châtelierin periaate Jos dynaamisessa tasapainotilassa olevaa systeemiä häiritään, syntyy uusi tasapainotila, jossa häiriön vaikutus on pienin mahdollinen. Häiriö voi olla paineen, lämpötilan tai konsentraation muutos. Systeemin ollessa tasapainossa on mahdollista siirtää tasapainoasemaa joko lähtöaineita tai reaktiotuotteita kohti

20 Le Châtelierin periaate Esimerkki CH 4 (g) + H 2 O (g) CO (g) + 3H 2 (g) Miten vaikuttaa reaktion tasapainoasemaan, jos a) nostetaan lämpötilaa b) lisätään vesihöyryn määrää c) vähennetään CO:n määrää d) nostetaan painetta

21 Tehtävä Tuotetta C valmistetaan lähtöaineista A ja B yhtälön (1) mukaisesti. Lähtöaine B reagoi myös tuotteiksi F ja E reaktion (2) mukaisesti. Reaktiot tapahtuvat nestefaasissa. A + B C + E ΔH r < 0 (1) B F + E ΔH r > 0 (2) Mitä keinoja on maksimoida C:n tuotanto? P Prosessitekniikan perusta, Kemiallinen prosessitekniikka Kaisa Lamminpää

22 Reaktion nopeus Termodynamiikka ei kerro mitään reaktioiden nopeuksista. Reaktion nopeuden ymmärtäminen on erityisen tärkeää teollisissa sovelluksissa. Reaktiokinetiikka tutkii kemiallisen reaktion kulkua, reaktiomekanismeja ja reaktionopeuksia. Reaktionopeus, r, kuvaa nopeutta, jolla tietyn reaktion molekyylit muuttuvat toisiksi.

23 Reaktionopeus, r Reaktorissa tapahtuu samanaikaisesti useita reaktioita, joista jokaisella on oma reaktionopeus. Tietyn komponentin tuotanto tulee kaikkien reaktioiden yhteisvaikutuksesta. Sarja- ja rinnakkaisreaktiot Reaktionopeus on pitoisuuksien ja lämpötilan funktio: r = f (lämpötila, pitoisuus) kun lämpötila kasvaa, myös reaktionopeus kasvaa Reaktionopeus määritetään kokeellisesti.

24 Katalyytit Katalyytti on aine, joka kasvattaa reaktion nopeutta kulumatta itse reaktiossa. Katalyytti ei vaikuta reaktion tasapainoon. Katalyyttien käyttö on yleinen tapa parantaa saantoa ja selektiivisyyttä prosessissa. 80 % kemianteollisuuden prosesseista on katalyyttisiä prosesseja.

25 Kemialliset reaktorit Reaktorityypit Tila ja ohjaus

26 Reaktorityypit Reaktoreiden jaottelu operointitavan mukaan: CSTR Panosreaktori (Batch reactor) PFR Puolipanosreaktori (Semibatch reactor) Jatkuvatoiminen reaktori (Continuous reactor)

27 Ideaalireaktorit Ideaalireaktorit kuvaavat erilaisia ajo- ja sekoitusolosuhteita. Niitä käytetään todellisten reaktoreiden mallinnukseen. Ideaalireaktorityypit ovat: Panosreaktori Jatkuvatoiminen putkireaktori Jatkuvatoiminen sekoitusreaktori syöte tuote

28 Panosreaktori (batch reactor) Reaktantit syötetään astiaan ja annetaan niiden reagoida tietyn ajan, jonka jälkeen astia tyhjennetään. Reaktorin oletetaan olevan täydellisesti sekoittunut, eli kullakin ajan hetkellä komponenttien pitoisuudet (sekä lämpötila ja paine) ovat yhtä suuret koko reaktorissa tai ainakin kussakin faasissa. Reaktioseoksen koostumus muuttuu ajan funktiona, eli se on dynaamisessa tilassa.

29 Panosreaktori Panosreaktorin etuja ovat yksinkertaisuus ja vähäinen instrumentoinnin tarve. Huonoja puolia ovat korkeat työvoimakustannukset ja heikko laadun säädettävyys. Panosreaktoreita käytetään teollisuudessa, kun operoitavat määrät ovat pieniä, esim. lääketeollisuudessa.

30 Jatkuvatoiminen sekoitusreaktori (continuous strirred tank reactor, CSTR ) Ideaalitapauksessa on täydellisesti sekoittunut, jolloin tilasuureilla on paikasta riippumaton arvo. Tuotevirran koostumus on sama kuin reaktoriseoksen koostumus. Toimii stationääritilassa (steady state), eli vakiotilassa.

31 Putkireaktori (plug flow reactor, PFR) Ideaalitapauksessa virtauksen oletetaan etenevän tulppana, jolloin sekoittumista ei tapahdu virtauksen suunnassa (täydellinen sekoittumattomuus). Tilasuureet ovat pituuden funktioita. Tulppavirtausreaktori Toimii stationääritilassa P Prosessitekniikan perusta, Kemiallinen prosessitekniikka Kaisa Lamminpää

32 Jatkuvatoimiset reaktorit käytetään teollisuudessa, kun käsiteltävät määrät ovat suuria eli bulkkituotannossa Vaativat enemmän instrumentointia ja tukilaitteita kuin panosreaktorit, mutta laadun hallinta on hyvä. pyritään ajamaan stationääritilassa P Prosessitekniikan perusta, Kemiallinen prosessitekniikka Kaisa Lamminpää

33 Reaktorin tila ja ohjaus 1 Tärkeimmät reaktorien toimintaan vaikuttavat tilamuuttujat ovat virtausnopeus, pitoisuus, paine ja lämpötila. Viipymäajan reaktorissa määrää kokonaisvirtausnopeus suhteessa reaktorin tilavuuteen. Mitä suurempi virtausnopeus suhteessa tilavuuteen on, sitä lyhyemmän aikaa reagoivat lähtöaineet viipyvät reaktorissa. Reaktorin pitoisuuksista vapaasti valittavissa on yleensä ainoastaan syötevirran pitoisuus.

34 Reaktorin tila ja ohjaus 2 Lämmönsiirto-ominaisuuksiltaan reaktoria voidaan ideaalitapauksessa käsitellä joko adiabaattisena tai isotermisenä. Adiabaattinen reaktori: täydellisesti eristetty Isoterminen reaktori: lämmönsiirto ympäristön kanssa sellainen, että jokaisessa reaktorin kohdassa on sama, vakioinen lämpötila

35 Tehtävä

36 Tehtävä Tarkastelkaa prosessissanne esiintyviä reaktioita ainakin seuraavista näkökulmista: Mitä reaktioita tarkastelun kohteena olevan tuotantoprosessin eri vaiheissa esiintyy? käyttäkää reaktioyhtälöitä ja/tai sanallista kuvailua Mikä on kunkin reaktion merkitys prosessissa? esim. haluttu tuote muodostuu sen kautta; se on hyödyllinen apureaktio tai haitallinen sivureaktio Miten reaktioihin pyritään vaikuttamaan? keinot vaikuttaa ei-toivottujen tai toivottujen reaktioiden tapahtumiseen

37 Tehtävän palautus Viimeistään perjantaina klo Raportin etusivulla on oltava tekijöiden nimet ja opiskelijanumerot. sähköisesti tai paperiversiona pdf-tiedostona, nimettynä R_##_Teema4.pdf, jossa ## on ryhmän numero, sähköpostin liitteenä osoitteeseen Paperiversiona kaikki tehtävään kuuluvat paperit yhteen niitattuna Kemiallisen prosessitekniikan käytävällä olevaan postilokerooni tai huoneeseen PR208.