Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği

Kimyasal reaksiyon mühendisliği, reaksiyon hızı ile reaktör seçiminin birlikte dönüşümü, verimi ve reaktör boyutunu nasıl belirlediğini açıklar. Basitçe şu soruyu sorar: kimyayı biliyorsanız, bu kimya gerçek bir reaktörde gerçek bir süre boyunca çalıştığında gerçekte ne olur?

Bu yüzden yalnızca kinetik yeterli değildir. Aynı reaksiyon, kesikli reaktörde, sürekli karıştırmalı tank reaktörde veya piston akışlı reaktörde farklı sonuçlar verebilir; çünkü akışkan bu reaktörlerde zamanı aynı şekilde geçirmez.

Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği Ne Anlama Gelir

Kimyasal reaksiyon mühendisliği üç fikri birleştirir:

• stokiyometri, türlerin nasıl tüketildiğini ve oluştuğunu söyler
• kinetik, hızın derişime, sıcaklığa veya katalizörlere nasıl bağlı olduğunu söyler
• reaktör davranışı, akışkanların ekipman içinde nasıl hareket ettiğini, karıştığını ve ne kadar süre kaldığını söyler

Bu parçalardan biri değişirse, tasarım cevabı da değişebilir. Reaktör modeli olmadan bir hız denklemi size reaktör hacmini söyleyemez. Kinetik olmadan bir reaktör modeli ise dönüşümün ne kadar hızlı geliştiğini söyleyemez.

Yalnızca Kinetik Neden Dönüşümü Belirlemez

Öğrenciler çoğu zaman önce bir hız denklemi öğrenir ve sonra reaktörün bunun etrafındaki bir kaptan ibaret olduğunu varsayar. Reaksiyon mühendisliği, hız denklemini zaman, kalış süresi veya reaktör hacmiyle ilişkilendirdiğiniz adımdır.

Bir reaktan $A$ için yaygın başlangıç noktası, kaybolma hızıdır:

$$-r_A$$

Bu, birim reaktör hacmi ve birim zaman başına tüketilen $A$ miktarı demektir. Bunu kullanmak için bir reaktör modeline de ihtiyacınız vardır. Kesikli reaktörde genellikle derişim zamana karşı izlenirken, akış reaktöründe derişim çoğunlukla konuma veya kalış süresine karşı izlenir.

Çözümlü Örnek: Birinci Dereceden Kesikli Reaktörde Dönüşüm

Sıvı fazda gerçekleşen geri dönüşümsüz $A \rightarrow \text{products}$ reaksiyonunu bir kesikli reaktörde ele alalım. Şunları varsayalım:

• reaksiyon $A$'ya göre birinci derecedir
• sıcaklık sabittir, dolayısıyla $k$ sabit kalır
• sıvı hacmi sabittir

Bu koşullar altında hız denklemi

$$-r_A = kC_A$$

olur.

Sabit hacimli bir kesikli reaktör için bu,

$$\frac{dC_A}{dt} = -kC_A$$

şekline gelir.

İntegrasyon yapıldığında

$$C_A = C_{A0} e^{-kt}$$

elde edilir.

Şimdi şu değerleri alalım:

• $C_{A0} = 1.0\ \mathrm{mol/L}$
• $k = 0.20\ \mathrm{min^{-1}}$
• $t = 10\ \mathrm{min}$

O zaman

$$C_A = (1.0)e^{-(0.20)(10)} = e^{-2} \approx 0.135\ \mathrm{mol/L}$$

olur.

$A$'nın dönüşümü ise

$$X = \frac{C_{A0} - C_A}{C_{A0}}$$

şeklindedir.

Dolayısıyla burada,

$$X = \frac{1.0 - 0.135}{1.0} \approx 0.865$$

bulunur.

Kesikli reaktör, $10$ dakika sonunda yaklaşık $86.5\%$ dönüşüme ulaşır.

Bu sonuç, varsayımların doğru olmasına bağlıdır. Sıcaklık $k$'yı değiştirecek kadar değişirse, reaksiyon birinci dereceden değilse veya reaksiyon sırasında hacim değişirse, bu model artık doğru model olmaz.

Reaksiyon Mühendisliği Uygulamada Neden Önemlidir

Reaksiyon mühendisliği, "bu kimya gerçekleşebilir" ifadesini "bu proses tasarlanabilir" ifadesine dönüştürür. Şunlar için kullanılır:

• dönüşüm ve verimi tahmin etmek
• kesikli, CSTR ve piston akışlı reaktörler arasında seçim yapmak
• hedef üretim hızına göre reaktör boyutlandırmak
• sıcaklığın veya katalizörlerin etkisini değerlendirmek
• kuvvetli ekzotermik sistemlerde güvenlik risklerini azaltmak

Gerçek tesislerde ısı transferi ve kütle transferi, içsel kinetik kadar önemli olabilir. Reaktanlar katalizör yüzeyine yeterince hızlı ulaşamazsa veya ısı yeterince hızlı uzaklaştırılamazsa, gözlenen davranış basit kinetik modelden farklı olabilir.

Reaksiyon Mühendisliğinde Yaygın Hatalar

Reaktör tasarımı için stokiyometriyi yeterli görmek

Stokiyometri, maddesel ilişkileri söyler; ancak reaksiyonun ne kadar süreceğini söylemez. Reaktör tasarımı için kinetik de gerekir.

Birimlerini kontrol etmeden hız sabitini kullanmak

$k$'nın birimleri hız denklemine bağlıdır. Birinci dereceden bir sabitin birimi genellikle zamanın tersi olur, ancak diğer hız denklemlerinde böyle değildir.

Modelin arkasındaki varsayımları unutmak

Bir CSTR'de tam karışım, borulu reaktörde ideal piston akışı ve kesikli reaktörde sabit hacim; bunların hepsi model varsayımlarıdır, garanti edilmiş gerçekler değildir.

Dönüşüm ile verimi karıştırmak

Dönüşüm, ne kadar reaktanın kaybolduğunu söyler. Verim ise ne kadar istenen ürün oluştuğunu söyler. Özellikle yan reaksiyonlar olduğunda bunlar her zaman aynı değildir.

Sıcaklık duyarlılığını göz ardı etmek

Birçok reaksiyon hızı sıcaklıkla güçlü biçimde değişir. Sabit $k$ içeren bir model, ancak bu varsayım makulse geçerlidir.

Kimyasal Reaksiyon Mühendisliği Nerelerde Kullanılır

Reaksiyon mühendisliğini, soru yalnızca "ne reaksiyona girer?" değil aynı zamanda "ne kadar hızlı, ne ölçüde ve hangi ekipmanda?" olduğunda kullanırsınız. Buna yakıt işleme, polimer üretimi, katalitik reaktörler, fermantasyon, çevresel arıtma ve ilaç üretimi dahildir.

Özellikle reaktör tiplerini karşılaştırmanız veya laboratuvar ölçeğindeki bir reaksiyonu daha büyük bir prosese taşımanız gerektiğinde çok önemlidir. Kimya aynı kalabilir, ancak reaktör performansı aynı kalmayabilir.

Benzer Bir Reaktör Problemi Deneyin

Kesikli reaktör örneğini alın ve sabit bir süre sonunda dönüşümü bulmak yerine hedef dönüşümü $95\%$ olarak belirleyin. Sonra gerekli kesikli çalışma süresini çözün. Bu doğal bir sonraki adımdır; çünkü aynı modeli bir tablo hesabından tasarım kararına dönüştürür.