Kemialliset reaktiot ja reaktorit Prosessi- ja ympäristötekniikan perusta I Juha Ahola juha.ahola@oulu.fi
Kemiallinen prosessitekniikka Sellaisten kokonaisprosessien suunnittelu, joissa kemiallinen reaktio on keskeisessä asemassa.
Prosessisuunnittelu Haasteena on luoda prosessikonfiguraatioita, jotka tuottavat haluttua tuotetta turvallisesti ja taloudellisesti korkealla saannolla synnyttäen vain vähän tai ei lainkaan jätettä
Sisältö 1 KEMIALLISET REAKTIOT 1.1 Reaktioiden jaottelu 1.2 Termodynaaminen tasapaino 1.3 Reaktion nopeus 2 KEMIALLISET REAKTORIT 2.1 Reaktorityypit 2.2 Reaktorin tila ja ohjaus
Teidän tehtävänne Tarkastele prosessissanne esiintyviä reaktioita ainakin seuraavista näkökulmista: Mitä reaktioita tarkastelun kohteena olevan tuotantoprosessin eri vaiheissa esiintyy? reaktioyhtälöin ja/tai sanallisin kuvailuin 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
Reaktiot
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.
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) Esteröinti (reakt. alkoholi ja karboksyylihappo) Krakkaus (raakaöljyn raskaampien jakeiden muuttaminen kevyemmiksi) Polymerointi (monomeerien yhteenliittyminen)
Reaktioiden jaottelu muilla tavoin edellä mainitut nimitykset ovat yleisesti käytössä toteutettuja prosesseja kuvailtaessa ei kovin hyödyllinen reaktion piirteiden kuvailuun kemialliset reaktiot jaotellaan myös niiden ominaisuuksia kuvaavilla tavoilla homogeeniset ja heterogeeniset reaktiot katalyyttiset ja ei-katalyyttiset reaktiot yksi- ja monivaiheiset reaktiot eksotermiset ja endotermiset reaktiot reversiibelit ja irreversiibelit reaktiot
Homogeeniset ja heterogeeniset reaktiot 1 Homogeenisessä reaktiossa kaikki reaktioon osallistuvat komponentit (lähtöaineet, tuotteet, katalyytti) ovat samassa faasissa. Esimerkiksi synteesikaasureaktio: CH 4 (g) + H 2 O (g) CO (g) + 3 H 2 (g) Heterogeenisessä reaktiossa on läsnä vähintään kaksi faasia; toisen faasin voi myös muodostaa katalyytti. Esimerkiksi koksin poltto: C (s) + O 2 (g) CO 2 (g)
Katalyyttiset ja ei-katalyyttiset reaktiot 2
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 jo tuttu vesikaasunsiirtoreaktio: CO + H 2 O CO 2 + H 2 H = -41,15 kj/mol Endotermisissä reaktioissa lämpöä sitoutuu. Näiden reaktioiden reaktioentalpia on positiivinen. Esimerkiksi kalsiumkarbonaatin hajoaminen: CaCO 3 CaO + CO 2 H = 177,9 kj/mol
Yksivaiheiset ja monivaiheiset reaktiot Yksivaiheisissa reaktioissa lopputuotteet syntyvät suoraan lähtöaineista: A B Monivaiheisissa reaktioissa tuotteet syntyvät välivaiheiden kautta: Sarjareaktio Rinnakkaisreaktio A B C A R A S Sarjareaktiossa lähtöaineesta A syntyy ensin tuotetta B, josta edelleen syntyy sopivissa olosuhteissa tuotetta C. Rinnakkaisreaktiossa tuotteet kilpailevat lähtöaineesta. Monivaiheisten reaktioiden tapauksissa prosessiolosuhteet optimoidaan juuri halutun tuotteen kannalta optimaalisiksi.
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)
Esimerkki rinnakkaisreaktiosta Ammoniakin poltto typpihappoteollisuudessa 4 NH 3 + 5 O 2 4 NO + 6 H 2 O 4 NH 3 + 3 O 2 2 N 2 + 6 H 2 O
Reversiibelit ja irreversiibelit reaktiot Reversiibelit reaktiot ovat palautuvia eli ne voivat tapahtua kumpaan suuntaan tahansa. Reaktion suunta määräytyy reaktio-olosuhteiden mukaan. Irreversiibelissä reaktiossa tasapaino on pysyvästi tuotteiden puolella eikä reaktiota saada tapahtumaan toiseen suuntaan edes olosuhteita muuttamalla. Esimerkiksi natriumin reaktio veden kanssa on irreversiibeli reaktio: Na + H 2 O NaOH + ½ H 2
Termodynaamiikka Tasapainot
Termodynaaminen tasapaino Termodynaaminen tasapaino 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 olennasta turbiinien ja kompressorien tarkastelussa.
Termodynamiikka Kemiallinen tasapaino Suurin osa (mikään) kemiallisista reaktioista ei etene loppuun saakka, vaan lopullisessa reaktioseoksessa on reaktiotuotteiden lisäksi myös lähtöaineita Reversiibelit reaktiot
Le Chatelierin periaate systeemin ollessa tasapainossa on mahdollista siirtää tasapainoasemaa joko lähtöaineita tai reaktiotuotteita kohti vaikutusta kemialliseen tasapainoon voidaan tarkastella kvalitatiivisesti Le Chatelierin periaatteen avulla: Jos tasapainossa olevaan reaktioon vaikuttaa joku ulkoinen häiriö, tasapainoasema siirtyy suuntaan, joka pyrkii eliminoimaan muutoksen
Le Chatelierin periaate Esimerkki CH 4 (g) + H 2 O(g) <-> CO(g) + 3H 2 (g) Endoterminen reaktio vasemmalta oikealle Miten vaikuttaa reaktion tasapainoasemaan, jos: a) nostetaan lämpötilaa b) lisätään vesihöyryn määrää c) vähennetään CO:n määrää d) nostetaan painetta
Reaktionopeus
Reaktiokinetiikka termodynamiikka ei kerro mitään reaktion nopeuksista reaktiokinetiikka tutkii kemiallisen reaktion kulkua, reaktiomekanismeja ja reaktionopeuksia reaktion nopeuden ymmärtäminen on erityisen tärkeää teollisissa sovelluksissa reaktionopeus r kuvaa nopeutta, jolla tietyn reaktion molekyylit muuttuvat toisiksi
Reaktionopeus vaikka reaktorissa tapahtuu samanaikaisesti useita reaktioita, on jokaisella reaktiolla oma reaktionopeus tietyn komponentin tuotanto tulee kaikkien reaktioiden yhteisvaikutuksesta Reaktionopeus on pitoisuuksien ja lämpötilan funktio: r = f (lämpötila, pitoisuus) kun lämpötila kasvaa, myös reaktionopeus kasvaa nopeus määritetään kokeellisesti
Katalyytit katalyytit ovat reaktioon osallistuvia aineita, jotka eivät kulu reaktiossa katalyytit nopeuttavat haluttua reaktiota katalyytit eivät vaikuta reaktion tasapainoon katalyyttien käyttö on yleinen tapa parantaa saantoa ja selektiivisyyttä prosessissa
Reaktorit
Reaktorityypit jako operointitavan mukaan:
Reaktorityypit t τ τ Panosreaktori Jatkuvatoiminen sekoitusreaktori Putkireaktori
Panosreaktori/1 Ideaalisessa panosreaktorissa on täydellinen sekoitus eli kullakin ajan hetkellä komponenttien pitoisuudet (sekä lämpötila ja paine) ovat yhtä suuret koko reaktorissa tai ainakin kussakin faasissa panosreaktori on aina dynaamisessa tilassa
Panosreaktori/2 + yksinkertainen + vaatii vähän instrumentointia - korkeat työvoimakustannukset - tuotteen laadun säädettävyys on huono käytetään, kun tuotantomäärät pieniä
Panosreaktori/3
Jatkuvatoimiset reaktorit käytetään teollisuudessa, kun käsiteltävä määrät ovat suuria jatkuvatoimiset reaktorit pyritään ajamaan stationääritilassa CSTR + hyvä tuotteen laadun hallinta - enemmän instrumentointia ja tukilaitteita PFR
Jatkuvatoiminen sekoitusreaktori (CSTR) tavoitteena täydellinen sekoitus tilasuureilla paikasta riippumaton arvo
Jatkuvatoiminen putkireaktori Ideaalitapauksessa virtauksen oletetaan etenevän tulppana, jolloin aksiaalisuunnassa on täydellinen sekoittumattomuus tilasuureet ovat pituuden funktioita
Kuvia teollisuusreaktoreista 1/3
Kuvia teollisuusreaktoreista 2/3
Kuvia teollisuusreaktoreista 3/3
Reaktorin tila ja ohjaus Tilasuureet Tärkeimmät reaktorien toimintaan vaikuttavat tilamuuttujat: 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
Reaktorin tila ja ohjaus Lämmönsiirto 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
Teidän tehtävänne Tarkastele prosessissanne esiintyviä reaktioita ainakin seuraavista näkökulmista: Mitä reaktioita tarkastelun kohteena olevan tuotantoprosessin eri vaiheissa esiintyy? Mikä on kunkin reaktion merkitys prosessissa? Miten reaktioihin pyritään vaikuttamaan tarkasteltavassa prosessissa? Huomatkaa tarkastelussanne myös reaktiot, joita ei haluta tapahtuvan ja miten prosessointi on valittu näiden estämiseksi.