Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktör (CSTR) Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 1
1. Amaç Sürekli karıştırmalı tank reaktörde gerçekleşen tepkimeye ilişkin hız sabitinin bulunmasıdır. Öğrenme çıktıları a. Sürekli karıştırmalı tank reaktör, ikinci ereceden tepkime, reaksiyon hız sabiti kavramlarını bilir, b. Deneysel verileri amaç doğrultusunda analiz eder ve yorumlar, c. Deneysel sonuçları bir rapor halinde sunar. 2. Genel Bilgiler Kimyasal reaktörler, içerisinde hammaddenin istenilen ürüne reaksiyon ile değişiminin yer aldığı için, bir çok kimyasal prosesin en önemli ekipmanı olarak değerlendirilebilir. Reaktörler ilgili kimyasal prosese bağlı olarak çok değişik şekillerde yer labilirler. Laboratuar uygulamalarında yer alan en basit şekil, içerisinde reaktantların sıvı fazında yer aldığı (tek faz) karıştırmalı tank tipidir. Bu çalışma için seçilen reaksiyon, etil asetatın sodyum hidroksit ile sabunlaşmasıdır. NaOH + CH3COOC2H5 CH3COONa + C2H5OH (Sodyum Hidroksit) (Etil asetat, EtOAc) (Sodyum asetat) (Etil alkol) Bu sabunlaşma reaksiyonu, 20 40 C şartlarında, 0-0,1 M reaktant konsantrasyonu aralığında sodyum hidroksit ve etil asetat a göre birinci dereceden; toplamda ikinci dereceden bir reaksiyondur. Bu reaksiyon sürekli karıştırmalı reaktör kullanılarak gerçekleştirilir ve reaktantların belirli oranda ürüne dönüşmesi ile yatışkın duruma ulaşır. Reaksiyonun yatışkın duruma ulaşması, kullanılan reaktantların konsantrasyon ve akış değerleri, reaktör hacmi ve reaksiyon sıcaklığına bağlıdır. 3. Deneysel Çalışma Amaç Sürekli karıştırmalı reaktör verileri ile reaksiyon hız ifadesinin geliştirilmesi Etil asetatın sodyum hidroksit ile sabunlaşması tepkimesinin tepkime hız sabitinin bulunması Sürekli karıştırmalı reaktör verileri ile reaksiyon hızının ve reaksiyon hız sabitinin sıcaklık bağımlılığının geliştirilmesi Karıştırma hızının reaksiyon hızı üzerine etkisinin incelenmesi Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 2
Deney Sistemi Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 3
Cihaz Bölümleri 1. Diyafram pompa I 2. Diyafram pompa II 3. Ana şalter 4. Cihaz tezgahı 5. Reaktan I girişi 6. Tepsi ürün boşaltma musluğu 7. Ürün tepsisi 8. Reaktan II girişi 9. Reaktörden numune alma musluğu 10. Reaktör taşıma kulpu ve sehpası 11. Reaktör seviye skalası 12. Reaktör ısıtma ve soğutma bobini 13. Reaktör hacim belirleme borusu 14. Karıştırıcı pervane 15. Reaktör hacim borusu sabitleme kolu 16. Reaktör hacim belirleme tutma kolu 17. Karıştırıcı motor 18. Karıştırıcı motor elektrik bağlantısı 19. Isıtma ve soğutma suyu girişleri 20. İletkenlik sensörü 21. Reaktan kapları 22. Reaksiyon sıcaklık sensörü bağlantısı 23. PC-USB bağlantısı 24. İletkenlik sensörü on-off 25. İletkenlik sensörü göstergesi 26. Karıştırıcı motor on-off 27. Karıştırıcı motor devir ayarı 28. Karıştırıcı motor devir göstergesi 29. Pompa II PC-OFF-Manuel anahtarı 30. Kazan suyu sıcaklık göstergesi 31. Kazan ısıtma rezistansı on-off anahtarı 32. Pompa I PC-OFF-Manuel anahtarı 33. Sıcak su kazanı 34. Soğutma için şebeke suyu bağlantısı Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 4
Kimyasallar Bu deney için 5 litre 0,1 M EtOAc ve 5 litre 0,1M NaOH gerekmektedir. Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktör Sistemi Scada Yazılı Ekran Görntüsü Deneyin Yapılışı Cihazı açın (3), sıcak su ısıtıcısı açın (31), bilgisayar ve usb bağlantısını yapın (23), pompa anahtarlarını PC yapın (29,32), karıştırıcıyı açın (26), iletkenlik sensörünü açın (24), reaktör hacmini ayarlayın (16), Reaksiyon sıcaklığını 30 o C ye ayarlayın; reaktantlar için eşit hacimsel akış hızı (40 ml/dk.) kullanarak, sabit sıcaklıkta reaksiyonu çalışın. Karıştırıcı hızını kontrol panelinde motor devir ayarını (27) kullanarak 200 devir/dk ya ayarlayın. 30 dk boyunca reaksiyon karışımının iletkenlik değerlerini kayıt ederek, karışımın konsantrasyonunun zaman ile değişimini veren verileri yatışkın duruma ulaşılana kadar kaydedin (cihazın scada yazılımı ile). Reaksiyon deneylerini sürekli karıştırmalı reaktörde, reaktantlar için eşit hacimsel akış hızı kullanarak sabit sıcaklıkta çalışın. Bu deneyleri değişik alıkonma süreleri için tekrarlayın. Yatışkın duruma ulaşılana kadar değişik zamanlarda reaksiyon karışımının iletkenlik değerlerini kayıt ederek karışımın konsantrasyonunun zaman ile değişimini veren verileri ölçün. Sabit alıkonma süresi ve beslenme akımında, sabit sıcaklıkta değişik karıştırma hızlarında deneyleri tekrarlayın. Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 5
4. Hesaplamalar Sodyum hidroksit ve sodyum asetat, reaksiyon solüsyonunun iletkenlik verilerine katkıda bulunmaktadır. Fakat, etil asetat ve etil alkol ün reaksiyon solüsyonunun iletkenliğini etkileri yoktur. Ölçülen iletkenlik verileri aşağıdaki denklemler vasıtası ile reaktant ürün konsantrasyonu ve reaksiyon verimi değerlerine dönüştürülür: Sodyum hidroksit konsantrasyonu (a 1 ), sodyum asetat konsantrasyonu (c 1 ), verim (X a ve X c ) verilerinin hesaplanması için; Spesifik Reaksiyon Hız Sabitini (k) hesaplamak için; Yatışkın durumda toplam madde denkliği, Girdi Çıktı ± Reaksiyon = 0 Reaktant a için V hacminde reaktör içerisinde, d(va 1 )/dt = F.a o F.a 1 V.k.a 1 2 Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 6
Sürekli karıştırmalı reaktörde yatışkan durumda hacim (V) sabit kabul edilebilir; k = (F/V)*[(a o a 1 )/a 1 2 ] = [(F a + F b )/V]*[(a o a 1 )/a 1 2 ] NaOH yatışkan konsantrasyonu a 1 spesifik reaksiyon hız sabitini (k) hesaplamak için kullanılabilir. Yatışkan duruma ulaşılana kadar geçen süre için reaksiyon veriminin zamana bağlı değişimini gösteriniz. Yatışkan durumdaki NaOH konsantrasyonunu kullanarak reaksiyon hız sabitini belirleyiniz. Değişik alıkonma süreleri ile elde edilen kinetik veriyi karşılaştırınız. Değişik karıştırma hızları ile elde edilen kinetik veriyi karşılaştırınız. 5. Sorular 1. Sürekli karıştırmalı tank reaktör için tasarım denklemini elde ediniz. 2. Tepkime hızı nelere bağlıdır, açıklayınız. 3. Bir tepkimenin aktivasyon enerjisi ve Arrhenius sabiti nasıl bulunur, açıklayınız. 4. Aşağıdaki Levenspiel eğrilerine göre aynı dönüşüm miktarı için hangi reaktör tipi (sürekli karıştırmalı tank reaktör ve piston akımlı reaktör) hangi eğri için en iyidir, neden? Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 7
Simgeler aμ ao a1 a b c F Fa Fb k r tr t T Xa Xc Λ Λ0 Λt Λ besleme tankındaki sodyum hidroksit derişimi besleme karışımındaki sodyum hidroksit derişimi t anında reaktör içindeki sodyum hidroksit derişimi zaman sonra reaktör içindeki sodyum hidroksit derişimi etil asetat derişimi (a için yapılan açıklamalar b içinde geçerlidir) sodyum asetat derişimi (a için yapılan açıklamalar c içinde geçerlidir) toplam hacimsel akış hızı sodyum hidroksit in hacimsel akış hızı etil asetat ın hacimsel akış hızı reaksiyon hız sabiti reaksiyon hız sabiti reaktörde kalma süresi geçen zaman reaktör sıcaklığı sodyum hidroksit dönüşümü = (ao a1)/ao sodyum asetat dönüşümü = (C1 Co)/C iletkenlik (Siemens/cm) başlangıç anında iletkenlik t anında iletkenlik anında iletkenlik Kaynaklar 1. Fogler H.S., Elements of Chemical Reaction Engineering, 2nd ed, Prentice-Hall International (1992). 2. Levenspıel O., Chemical Reaction Engineering, J. Wiley Press, New York (1999). 3. Smıth, J.M., Chemical Engineering Kinetics, McGraw Hill Int., (1981) 4. Connors C.A., Chemical Kinetics : The Study of Reaction Rates in Solution, VCH, New York (1990). 5. Houston P.L., Chemical Kinetics and Reaction Dynamics, 1st ed, Mc Graw-Hill, Boston (2001). 6. Mıssen R.W., Introduction to Chemical Reaction Engineering and Kinetics, J. Wiley Press, New York (1999). Bursa Teknik Üniversitesi DBMMF Kimya Mühendisliği Bölümü 8