GCH 2006: Calcul des réacteurs chimiques Cours # 18 Alain Garnier, génie chimique, H13 Plan Chapitre 9, régimes transitoires: Bilans molaires (chapitre 4) Bilans d énergie transitoires Histoire de cas ARSST Procédés semi batch CSTR en régime transitoire Réactions multiples (Cliquez ici pour accéder au fichier Excel joint à ce document) 1
Bilan d énergie thermique transitoire Général: Q W S F i 0C Pi ( T i 0 T ) H irv i dt NC i Pi dt Q W S FA0CP0( T0 T) HRXrV A (réaction simple ou réversible) NC i Pi En cuvée, pour une réaction simple: dt Q W S HRXrV A N C C X A0 P0 P 0 dt QWS HRX rav N C A0 P0 (ΔCp=0) Cuvée adiabatique dt HRX rv A N C C X A0 P0 P dt 0 Cp0 CpX H RX Cp( T TR ) dx C ( T T ) C ( T T ) X H C T T H P0 0 P0 0 0 RX P R RX H T H X T T T 0 RX 0 RX 0 0 C C P0 CP0 P X En présence d un échangeur de chaleur: dt Q W S HRXrAV UA( Ta T) HRXrV A N C C X N C C X A0 P0 P A0 P0 P... 2
Advanced Reactor System Screening Tool (ARSST) Principe de la bombe calorimétrique Utile pour déterminer: la chaleur de réaction Les paramètres de la loi d'arrhénius Le dimensionnement d'une soupape de sécurité Température d'allumage («onset») 3
Exemple 9 3 (p. 608) (voir feuille Excel pour calculs) Dimensionnement d'une soupape de sécurité (PRS, chap9, DVD) 4
ARSST Source: ARST, Brown industries & U Michigan Réactions emballées ( runaways ) For reactions taking place in the liquid (condensed) phase, this heat is absorbed by the liquid, increasing the vapor pressure and hence the pressure in the vessel. Such reactions are called tempered or vapor systems, since the heat of reaction increases the superheat and vapor pressure of the liquid. Another source of pressure from a reaction results when the products of the reaction are gases, and more moles of gas are generated than are consumed by the reaction. Such reactions are called gassy. 5
Calculs The required vent size is determined by an energy balance on the reactor, withthecriterionthatthesizeoftheventmustbelargeenoughtoexpel energy from the vessel (in the vented stream) at a rate equal to the maximum rate at which it is generated. For a tempered (vapor pressure) system, the energy balance on the vaporizing liquid is: The left side of the equation is the latent heat removed from the vessel by the fluid that is relieved at the rateṁṁ through h the vent,and the right side is the rate of heat generated by the reaction. Calcul Assuming single phase flow (i.e. complete disengagement of the vapor from the liquid before entering the vent) and choked vapor flow through the vent, the mass flux throughtheventisgiven g by application of Bernoulli s equation to an isentropic nozzle: Here k is the isentropic exponent for the gas/vapor (or the ratio cp/cv for an ideal gas) and Kd is the ventdischarge coefficient. If miseliminated from Eqns (1) and (2), the result can be solved for the ratio of the vent area A to the volume of the reacting mass, V: where V ρ is the test sample mass, V is the ARSST containment volume and ρ is the density of the reacting mixture. For a hybrid system, the required vent areas for both the vapor and gas release are added 6
Calcul Gassy system, critical: Calcul Hybrid system: 7
Réacteur semi batch avec transfert thermique Transfert thermique dans une cuve: UA Q m CCPc( Ta 1 T) 1exp mc C Pc éqn 8 49, p. 523 où: T T T T e a2 a1 Lorsque le débit de réfrigérant est élevé et que la température Ta ne baisse pas significativement: Q UA T T a Bilan thermique: UA m CCpC dt i Q rv A HRX Fi0CPi( Ti0 T) N C Pi Exemple 9 4: réaction semi batch avec transfert thermique (p. 616) Saponification de l acétate d éthyle: C 2H5( CH3COO) NaOH Na ( CH3 COO ) C2 H5 OH AB CD Réaction de 2 nd ordre, en phase aqueuse Alimentation C B0 = 1000 moles/m 3 C W0 = 55000 moles/m 3 UA = 3000 J/s/K v 0 = 0,004 m 3 ṁ /s c = 100 kg/s C T 0 = 300 K Pc = 18 J/kg/K T a1 = 285 K Initialement V i = 0,2 m 3 C Ai = 5000 mole/m 3 C Wi = 30700 mole/m 3 C Bi = 0 T i =300 K k = 0,39175*exp(5472,7(1/273 7(1/273 1/T) m 3 /kmole/s K C = 10 3885,44/T ΔH RXo = 79076 J/mole C PA = 170,7 J/mole/K C PB = C PC = C PD = C PW = 75,24 J/mole/K Est ce que l échangeur de chaleur permettra de maintenir la température du réacteur sous 315 K? 8
CSTR en régime transitoire (section 9.4) Exemple 9 5, démarrage d un CSTR Production de propylène glycol: A + B C Bilans molaire et thermique en régime transitoire Intérêt des diagrammes de phase C T (voir PRS pour plus de détails sur l approche) Système de réactions multiples non isotherme dt q Q rvh ( T) F C T T N C ij RXij i0 Pi 0 j1 i Pi Exemple 9 7: réactions multiples en semi batch 2A B 3C k1a k2b 1 2 2 réactions de 1 er ordre UA = 35000 cal/h/k T a = 298 K y A0 = 1 C A0 = 4 M v 0 = 240 L/h T 0 = 305 K V i = 100 L C Ai = 1 M C Ii = 1M T i = 290 K k 1A = 1,25 h 1 @ 320K, E 1A = 9500 cal/mole k 2B = 0,08 h 1 @ 300 K, E 2B = 7000 cal/mole C PA = 30, C PB = 60, C PC = 20, C PI = 35 cal/mole/k ΔH RX1A = 6500 cal/mole de A ΔH RX2B = 8000 cal/mole de B 9