Procese Chimice Curs Dat Mar 2016

8/19/2019 Procese Chimice Curs Dat Mar 2016

1/41

Procesul chimic este defnit ca ansamblulproceselor elementare de transormare şitranser care se desăşoară în masa dereacţie.

Procesul elementar reprezintă cel maisimplu proces care se maniestă din punctde vedere macroscopic unitar şi care estecaracterizat printr-un singur mecanism

microcinetic. Ansamblul tuturor proceselorelementare şi ordinea desăşurării lor estecunoscut sub denumirea de mecanismmacrocinetic al procesului chimic saumecanismul procesului chimic.


2/41

Procesele elementare de transormare implică transormăride ază sau reacţii chimice. În cadrul proceselor chimice sedeosebesc următoarele procese elementare detransormare

reacţie chimică! dizolvarea! adsorbţia "desorbţia#! ormarea germenilor sau nucleaţia! transormarea alotropică! topirea "solidifcarea#!

vaporizarea "condensarea#! sublimarea"desublimarea#. Procesele elementare de transer cunoscute şi sub

denumirea de enomene de transer se clasifcă după cumurmează

transer de impuls! transer de căldură! transer de masă. $in ansamblul proceselor elementare care au loc în masa

de reacţie oricare dintre acestea poate f determinat deviteză pentru procesul chimic.


3/41

Procesele chimice pot f clasifcate după naturamasei de reacţie în două categorii

procese chimice omogene! procese chimice eterogene.

Procese chimice omogene pot f clasifcate lar%ndul lor în două grupe procese omogene necatalitice! procese omogene catalitice.În ceea ce priveşte procesele chimice eterogene&

acestea se clasifcă după numărul azelorimplicate în procese chimice biazice! procese chimice triazice! procese chimice poliazice.


4/41

Procesele chimice biazice pot f clasifcate dupănatura azelor

procese chimice eterogene gaz ' lichid! procese chimice eterogene solid ' lichid necatalitice şi

catalitice! procese chimice eterogene lichid ' lichid! procese chimice eterogene gaz ' solid necatalitice şi catalitice.(n alt criteriu de clasifcare a proceselor chimice ia în

considerare natura proceselor elementare detransormare. $upă acest criteriu procesele chimice

se clasifcă după cum urmează procese tip amestecare moleculară ' reacţie! procese tip dizolvare ' reacţie! procese tip amestecare moleculară ' reacţie ' ormare şi

creştere de germeni! procese tip dizolvare ' reacţie ' ormare şi creştere de

germeni! procese tip adsorbţie ' reacţie ' desorbţie! procese tip adsorbţie ' reacţie ' ormare şi creştere de

germeni! procese tip adsorbţie ' reacţie ' dizolvare.


5/41

(n proces chimic& în general& poate fdescris matematic de următorul set deecuaţii

ecuaţia continuităţii! ecuaţia impulsului! ecuaţia reologică!

ecuaţia energiei! ecuaţia diuziunii convective! ecuaţia cinetică.


6/41

$acă regimul procesului este izoterm&sistemul de ecuaţii care descrie procesulnu conţine ecuaţia energiei. În cazul în care

aza )uidă este de tip *e+tonian şi regimulprocesului izoterm& sistemul care descrieprocesul este alcătuit din ecuaţiacontinuităţii& ecuaţiile *avier ' ,toes&ecuaţia diuziunii convective şi ecuaţia

cinetică a procesului elementar determinatde viteză. Pentru stabilirea ecuaţiei cinetice este

necesară precizarea procesului elementardeterminant de viteză. $eterminant deviteză pentru un proces chimic esteprocesul elementar de transormare sautranser care are loc cu viteza cea maimică.


7/41

Întruc%t sistemul de ecuaţii care descrie un proceschimic este practic imposibil de rezolvat pe caleanalitică& în mod obişnuit se ace apel la

modelarea matematică. odelarea matematicăimplică conceperea unui model fzic simplifcat alprocesului& stabilirea ecuaţiilor care descriuprocesul şi a condiţiilor iniţiale şi la limită./ezolvarea acestui sistem de ecuaţii duce laobţinerea modelului matematic al procesuluichimic.

În cele din urmă se prezintă pentru coordonaterectangulare& cilindrice şi serice ecuaţiacontinuităţii& ecuaţiile impulsului& ecuaţiile *avier' ,toes& ecuaţia energiei& 0ourier ' 1irchho2 şiecuaţia diuziunii convective& ecuaţii care suntnecesare în descrierea matematică a proceselorchimice. 3cuaţiile reologice depind de natura)uidului.


8/41

Procesele chimice omogene secaracterizează prin aceea că azelereactant sunt în aceeaşi stare deagregare şi perect miscibile. asa dereacţie iniţială este omogenă ca şi masade reacţie fnală.

$e cele mai multe ori azele reactantconţin în aară de reactanţi şi substanţeinerte care se găsesc în aceeaşi stare deagregare cu reactanţii şi care nu participăla reacţie! substanţele inerte se regăsesc în masa de reacţie fnală.


9/41

4ilanţul de masă pentru procesele omogeneserveşte la stabilirea compoziţiei chimice amasei de reacţie în orice moment. În mod

obişnuit bilanţul de masă este alcătuit dintr-unset de ecuaţii algebrice scrise pentru fecarecomponent din masa de reacţie iniţială şi fnală.5 parte din aceste ecuaţii& au ca necunoscutegradele de transormare a unor componenţi.

Pentru stabilirea ecuaţiilor de bilanţ estenecesară defnirea stoechiometrică a masei dereacţie& respectiv alegerea ecuaţiilorstoechiometrice independente În cele ceurmează se stabilesc ecuaţiile de bilanţ de masă

pentru trei cazuri c%nd în sistem are loc oreacţie simplă& în sistem au loc două reacţiiconsecutive şi& c%nd în sistem au loc douăreacţii paralele.


10/41

a. În sistem are loc o reacţie simplă,e consideră că azele reactant sunt alcătuite din

reactantul A6& inertul 76 şi respectiv reactantul

A8 şi inertul 78. În masa de reacţie are loc osingură reacţie chimică a cărei ecuaţiestoechiometrică este următoarea

"9.6:#

Pentru această reacţie se defneştegradul de transormare al reactantuluiA6

"9.6;#

1

/

12211 A A A ν ν ν →+

0

1

1

1/

1/

0

1

1

2

220

01

11

1

A

A

A

A A

A

A A

A

n

nnn

n

nn

ν

ν η

ν

ν η =

−=

−=


11/41

$in "9.6;# rezultă "9.8


12/41

Pentru numărul de moli de inert I1 şi I2 sunt valabile relaţiile

n76=n<76 "9.89#

n78=n


13/41

în care n


14/41

b. În sistem au loc două reacţiiparalele

În acest caz se consideră că masa dereacţie iniţială conţine componenţii A6& I1, A2 şi I2. Primii doi componenţi aparţin uneiaze reactant iar ceilalţi celei de-a doua

aze reactant. /eacţiile care au loc însistem sunt eEprimate prin ecuaţiichimice

1/

1/

11

A A ν ν

→ (3.28)2

/2

/

22112 A A A ν ν ν →+ (3.29)


15/41

Pentru prima reacţie se defneşte gradulde transormare al reactantului A1 iarpentru a doua gradul de transormare alreactantului A2. Fa urmare se pot scriereacţiile

101

1

1/

1/

101

1/

101

1

A

A

A

A A

A

n

n

n

nn

ν

ν η =−= (3.30)

20

2

2/

2

20

2

12

12

102

20

220

2

A

A

A

A A

A

A A

A

n

n

n

nn

n

nn

ν

ν

ν

ν η =−=−=

(3.31)


16/41

/elaţiile "9.9


17/41

22

0

2

121

021

2

A A A A nnn η

ν

ν −=

(3.35)

22

0

2

2

/

2/ A

A A

nn η ν ν = (3.36)

Întrucât reactantul A1 participă la ambele reacţii,numărul de moli de A

1 existent în masa de reacţie

finală va fi dat de relaţia:


18/41

22

0

2

12

11

/

12

021

011

21

1

1 / A A

A A A A A

A nnnnnnn η

ν

ν

ν

ν −−+=+=

(3.37)

Numărul total de moli din masa de reacţie finalăeste:

/ / /

01 02 11 21 2 1 12 /

1 2 11

A AT A A I

A A A

n n n n n n n n n nν

ν = + + + + + = + −

/

/20 0 0 0 012

2 2 2 2 22 2 11

2 2

A A A A I A A I A

n n n n n n nν ν

η η

ν ν

− + + + − + + + (3.38


19/41

220

2

2/

2

12

11

/

1011 / A A AT T

nnnn η ν

ν

ν

ν

ν

ν

−+−

−+= (3.39)

În ecuaţia (3.39) T n0 reprezintă numărul total de moli

din masa de reacţie iniţială:

20

10

20

100

I I A AT nnnnn +++= (3.40)


20/41

3.3.2. BILANŢUL TE!I" 4ilanţul termic este utilizat pentru calculul

necesarului de agent termic de răcire sau încălzire c%nd regimul termic al procesuluieste izoterm şi calculul temperaturii maseide reacţie fnală c%nd regimul procesului

este adiabatic. $e regulă masa de reacţiefnală provine prin amestecarea a douăaze reactant a)ate în aceeaşi stare deagregare.

Pe baza principiului conservării energieitermice se poate scrie următoarea ecuaţiede bilanţ termic


21/41

G


22/41

G9# $acă regimul este adiabatic "Gînc = Grăc = < #

ecuaţia de bilanţ termic devine G6-9.>># în condiţiile în care încălzirea se ace cu abur&răcirea cu apă şi eectul termic al procesului estedat de numai o singură reacţie& rezultă

m


23/41

m


24/41

În cazul sistemelor ideale G


25/41

Pentru un proces chimic omogen echilibrultermodinamic se concretizează în echilibrulreacţiei sau reacţiilor chimice stoechiometriceindependente. ,tudiul echilibrului conduce laobţinerea compoziţiei chimice a masei de reacţiela echilibru. În acest scop din datetermodinamice se calculează mai înt%i constantasau constantele de echilibru ale reacţiilor chimiceşi în continuare gradele de transormare la

echilibru. (tiliz%nd ecuaţiile algebrice de bilanţde masă se calculează compoziţia la echilibru. 3.3.&. !$%ELAEA '$"E(EL$ "#I!I"E

$!$)ENE eactor discontinuu

În reactoarele discontinue are loc amestecareaideală a masei de reacţie ceea ce conduce launiormizarea concentraţiilor tuturorcomponenţilor în întreg volumul reactorului.


26/41

$e asemenea componentele vitezei masei dereacţie sunt constante. deoarece regimul termical procesului este izoterm pentru descriereamatematică a procesului este sufcientă numaiecuaţia diuziunii convective. Fonstanţaconcentraţiilor şi a componentelor vitezei maseide reacţie duce la simplifcarea ecuaţiei

diuziunii convective.1

1

A

Av

dt

dC −= (3.48)

Aceeaşi ecuaţie se poate obţine dacă se întoceştebi!anţu! de asă pent"u coponentu! A1.


27/41

V vdt

dn A

A ⋅=− 1

1(3.49)

în care: n!" este numărul de moli de reactant !"#$ % volumulmasei de reacţie# v!" % vite&a e reacţie în raport cu !".

'acă volumul masei de reacţie este constant, ecuaţia (3.)devine de forma:

1

1

A

Av

dt

dC =− (3.50)

*cuaţia (3.8 sau (3.) prin inte+rare între limitele


28/41

t =< & FA6 = FA6<

"9.B6# t = < & FA6 = FA6 conduce la ecuaţia caracteristică a reactorului

discontinuu

∫ −=1

0

11

1

A

A

C

C A

A

v

dC

t (3.-

ăcând apel la +radul de transformare a reactantului !"

ecuaţia se poate scrie:n!" / n!" 0 ( " 1 2!"

(3.3$ / $0 ( " 4 2!"


29/41

( ) ( )1

0

11

0

0

1

0

1

1 11

A A A

A A

A C

V

n

V

nC η η −=−== (3.55)

în care: n !"0 este numărul de moli iniţiali de !"#

$0 % volumul masei de reacţie iniţială

4 % coeficient de expansiune ( )

0

011

V

V V A −= =η

ε

6rin diferenţiere ecuaţia (3. devine:


30/41

$acă se substitue "9.BB# în ecuaţia "9.B


31/41

∫ =1

0 1

11

0

A

A

A A

v

d C t

η

η (3.59)

În ca&ul în care volumul masei de reacţie este diferit de

$0 , pentru stabilirea modelului matematic al reactoruluidiscontinuu se pleacă de la ecuaţia (3.) în care se

substitue (3.3 i (3.. Înainte de această operaţie sediferenţia&ă ecuaţia (3.3, re&ultând:

d n!" / 1 n0!"d2!" (3.70'upă substituire se obţine:


32/41

( )101

110

1 A A

A A

V v

dt

d nεη

η +⋅= (3.7"

sau:

( )11

110

1 A A

A A

v

dt

d C εη

η += (3.7-

6rin inte+rarea ecuaţiei (3.7- între aceleai limite (3.8 re&ultă:

( )∫ +=1

0 11

11

0

1

A

A A

A A

v

d C t

η

εη

η


33/41


34/41

/eactoarele discontinue se caracterizeazăprin operare în şarKe. Fa urmare concentraţia

reactanţilor şi a produselor de reacţie& gradulde transormare a componentului valoros şiviteza de reacţie se modifcă în timp. Lariaţia în timp a acestor mărimi este ilustrată grafc

în fg. 9.8. $upă cum se poate constata concentraţiaşi viteza de reacţie a reactantului A6scadodată cu creşterea duratei& în timp ce gradul

de transormare al componentului A6 creşte în timp. a. eacţii ire*ersibile de ordinul +


35/41

$acă reacţia este eEprimată prin ecuaţiastoechiometrică

A6 M AN

6 "9.C># Liteza de reacţie este dată de relaţia

1

11

0

11

11/

A

A A

A A C k kC v

εη

η

+−⋅== (3.65)

%ubstituind (3.65) în ecuaţia (3.63) "e&u!tă$

( ) 101

1

11

0

11

0

1

1ln

1

1

11

1

A

A

A

A A

A A

k kC

d C t

A

η

εη

η εη

η η

−=

+−

+= ∫ (3.77


36/41

5 altă relaţie de calcul a durateiprocesului poate f obţinută şi prinintermediul ecuaţiei "9.B8# în care se

înlocuieşte vA6 cu FA6

10

1

1

1ln

11

1

0 A

A

C

C A

A

C

C

k kC

dC t

A

A

−=−= ∫ (3.67) sau: 'A1 '

0A1 e

*+t

(3.78

'urata procesului în care se desfăoară o reacţie ireversibilă deordinul " poate fi calculată cu una din ecuaţiile (3.77 sau (3.79. În fi+ura 3.3 sunt pre&entate dia+ramele caracteristice pentru unproces omo+en cu o reacţie c;imică ireversibilă care sedesfăoară într1un reactor discontinuu.


37/41

a)

b)

Fig. 3.3. Diagramele caracteristice pentru reacţiiireversiile de ordinul 1.


38/41

b. eacţii ire*ersibile de ordinul 2 ,e consideră un sistem omogen în care

are loc o singură reacţie de ordinul 8 acărei ecuaţie este următoarea

"9.C;# Liteza de reacţie poate f eEprimată prin

ecuaţia cinetică vA6 = FA6FA8Foncentraţiile FA6 şi FA8 rezultă dinbilanţul de masă. $acă volumul masei de

reacţie răm%ne neschimbat se poatescrie

1/

1/

2211 A A A ν ν ν →+

(3.70)(3.70)


39/41

nA6 = n


40/41

Pe baza relaţiilor "9.D6#-"9.D>#& ecuaţiacinetică capătă orma

( )

−−=

1

1

2

11

0

1 1

A A A

A

v

vakC v η η

(3.75)

în care : a / n0!-


41/41

Prin rezolvarea integralei "9.DC# se obţine relaţiade calcul a duratei procesului care se desăşoară

într-un reactor $F în care are loc o singură

reacţie ireversibilă de ordinul 8

( )1

1

1

2

1

21

0 1

ln1

A

A

A a

v

va

v

vakC

t

η

η

−

−

−

= (3.77)

'acă volumul masei de reacţie este variabil în decursul

procesului durata se calculea&ă cu a=utorul ecuaţiei:( )

( )∫

−−

+=

1

0

1

1

2

1

11

10

1

11 A

A A

A A

A va

d

kC t

η

η

ν

η

η εη

(3.98

Procese Chimice Curs Dat Mar 2016

Documents

Transcript of Procese Chimice Curs Dat Mar 2016