反応工学 Reacio Egieerig 講義時間 場所 : 火曜 限 8- 木曜 限 S- 担当 : 山村 補講 /3 木 限 S-
ジメチルエーテルの気相熱分解 CH 3 O CH 4 H CO 設計仕様 処理量 v =4.8 m 3 /h 原料は DME のみ 777K 反応率 =.95 まで熱分解 管型反応器の体積 V[m 3 ] を決定せよ ただし反応速度式反応速度定数 ラボ実験は自由に行ってよい はともに不明
反応速度式が不明の場合の手法 全モル数が変化する場合 a. 全圧追跡法 b. 積分法 c. 微分法 全モル数が変化しない場合 a. 積分法 b. 微分法 3
ジメチルエーテルの気相熱分解 : 全圧追跡法 圧力計 実測結果 777K Pressure [kpa] 8 6 4 熱分解により圧力が増加 CH O CH H CO 3 4 CH 3 O 777K 保温 密閉反応実験 3 4 ime [s] 圧力データから反応率 と反応速度定数 k が求められることを示す 4
5 ジメチルエーテルの気相熱分解 3: 反応率の算出 CO H CH O CH 4 3 B+C+D 時刻 における成分 のモル数 は D C B = では DME のみ含まれるから反応器内の全モル数 はこれらの和だから D C B 別解 よって a d a c a b は定義から
ジメチルエーテルの気相熱分解 4: 反応率の算出つづき 理想気体を仮定する 密閉実験では体積 V= 一定なので全成分についての状態方程式は 反応開始時 = 時刻 圧力比を取ると PV PV P P RT RT 従って反応率は次式から求められる P P 6
ジメチルエーテルの気相熱分解 5 時間 [s] 全圧 P[kPa] 反応率 4.6 =P 39 54.5.55.8 777 65..8.6 95 74.9 355 3.9 4..4.749.99.4. 3 4 [s] 手順 次反応と仮定した式を導出する 反応率を式に代入し 図の傾きから反応速度定数を求める 7
定容系 次反応 の場合 回分型反応器の設計方程式より dc d 次反応の反応速度 r は r r kc kc 上式に代入して dc d kc 8
C 定容系 次反応 の場合 C =C - であることに注意すると 時刻 = から まで積分する = で反応していない = ので d C kc d d kc d の場合 積分を実行すると kc kc 傾き k 9
C C C 定容系 次反応 の場合 3 3.5 3.5.5 = 次反応.5 3 4 8 5 7 6 5 4 3 =3 3 次反応 5 5 =4 4 次反応 > では直線関係が得られない 3 4 3 4 s
定容系 次反応 = の場合 回分型反応器の設計方程式より d d 体積 V が一定なら 両辺を V で除して dc d r r r V 定容系では 次反応 Cの反応速度 r は kc kc 上式に代入して dc d kc
C =C - であることに注意すると d d 定容系 次反応 = の場合 k 時刻 = から まで積分する = で反応していない = ので d 積分を実行すると l k kd l 傾き k
管型反応器 非定容 次反応の場合 非定容系を考える 簡単のため温度 圧力は一定 モル濃度は C C と表されるから 成分 の反応速度は r kc r C v kc d dv 定常状態における設計方程式は 代入すると dv v k d 3
4 積分すると V d k v dv 積分を実行して k v d k v V l 管型反応器 非定容 次反応の場合
管型反応器の設計計算 反応実験から この DME の熱分解反応は 次反応 B+C+D, -r =kc, y =, = 反応速度定数 k=4.3-4 /s, 体積流量 v =4.8 m 3 /h 目標反応率 =.95 設計方程式を解くと V v k l 上の数値を代入すれば V 4.8/ 36 4 4.3.95 l.95.m 3 5
管型反応器の設計計算 :QUIZ 777K 4.8m 3 /h. m 3 =.95 m 反応器長さを m とする 内径 5cm の反応管が何本必要か?. 本. 本 3. 本 6
管型反応器の設計計算 3 内径 5cm 長さ m の反応管を用いるなら 管 本の体積は 5 4.96m 反応器体積は V=.m 3 だから 必要な管本数は. /.96 本 3 4.8m 3 /h 本 777K =.95 m 7
ミッション : 単一反応 複合反応の反応速度を記述をすることができる 定常状態近似により反応速度式を導出することができる 律速段階近似により反応速度式を導出することができる 連続槽型反応器の設計方程式を導出することができる 回分反応器の設計方程式を導出することができる 管型反応器の設計方程式を導出することができる 自触媒反応器の最適設計ができる 回分ラボ実験データから実スケールの反応器体積を求めることができる 回分反応器を用いた簡単なバイオリアクターの設計ができる 回分反応器を用いた逐次並列反応の設計計算を行うことができる 非等温反応器の安定操作条件を算出することができる 晶析反応器の設計計算を行うことができる 未反応核モデルを用いて管型反応器内の粒子反応を設計できる 8
-l- 定容回分型実験データを用いた管型反応器設計 repor 7 氏名 過酸化ジー er ーブチルの気相熱分解 B+C の反応式は次のように書ける CH COOC CH CH CO C H 3 3 3 3 3 この反応を4.4K 等圧 体積流量 v =.8m 3 /h の管型反応器内で行いたいが 反応速度定数等が分かっていない そこで必要な反応器体積 V [m 3 ] を求めるために 定容回分型反応器を用いた基礎実験を行った ただし原料中には過酸化ジー er ーブチルのみが含まれており 反応開始時の全モル数 は反応開始時の過酸化ジー er ーブチルのモル数 [mol] に等しい [ 問 ] 定容回分型反応器内の過酸化ジー er ーブチルの反応率を と書けば 全モル数 は次式で表されることを示せ B C [ 問 ] 理想気体を仮定すれば 定容回分型反応器における反応率は全圧 Pと反応開始時の全圧 P の関数として次式で表されることを示せ P / P / [ 問 3] 温度 4.4Kの定容回分型反応器で全圧 P[kPa] の計時変化を測定したところ 次の結果を得た 次反応と仮定して時間と -l- の関係をプロットし 直線関係が得られることを確認せよ また反応速度定数 k[/s] を求めよ [ s] 36 6 8 3 56 4 4 76 P[ kpa] 3.9 6.5 8. 3.9 3.3 33.7 36. 38. 39.6 [ 問 4] 非定容管型反応器の設計方程式から反応率と体積 Vの関係は次式で表される ただし はで定義される k V / v l 出口における過酸化ジー er ーブチルの反応率が.9 で 直径.5m の円柱形管型反応器を設計したい 問 3 の結果を用いて必要な管型反応器の体積 V [m 3 ] および反応器高さ Z[m] を求めよ 6.5.4.3... 5 5 5 3 [s] k.46.46 V.77m Z 4 4.5 / s V l.9.8/ 36.9 3 4.77 3.9m 9