سرفصل های درس سینتیک و طراحی راکتور

نام بسته درسی : سینتیک و طراحی راکتور

————————————————————-

فهرست:

فصل اول :سینتیک واکنش‌های متجانس                                                                                                          

• تقسیم‌بندی واکنش‌های شیمیایی
• سرعت واکنش
• ابعاد ثابت سرعت
• وابستگی سرعت واکنش به دما
• مکانیسم واکنش‌های چند مرحله‌ای با ذرات ناپایدار
• ترمودینامیک واکنش‌های شیمیایی

آزمون خودسنجی                                                                                                                                      

فصل دوم:تجزیه و تحلیل نتایج حاصل از راکتورهای ناپیوسته                                                                               

• راکتورهای ناپیوسته (batch)
• روش‌های بررسی نتایج سرعت واکنش
• بررسی نتایج حاصل از اندازه‌گیری فشار کل در یک سیستم حجم ثابت
• میزان تبدیل
• تجزیه و تحلیل برخی از واکنش‌ها با استفاده از روش انتگرالی
• راکتور ناپیوسته حجم متغیر
• زمان اتمام واکنش
• زمان نیمه‌عمر
• روش کاهش مرتبه واکنش برای تعیین درجه کلی واکنش‌های برگشت‌ناپذیر
• استفاده از زمان نیمه عمر برای تعیین درجه کلی واکنش‌های برگشت‌ناپذیر

آزمون خودسنجی                                                                                                                                     

فصل سوم : طراحی راکتورهای ایده‌ال برای واکنش‌های منفرد                                                                              

• طبقه‌بندی راکتورها
• راکتورهای ناپیوسته (Batch)
• زمان پر شدن و سرعت پر شدن ـ زمان اقامت متوسط
• راکتور مخلوط شونده
• راکتور لوله‌ای
• عدد دام کهلر (Damkohler)

آزمون خودسنجی                                                                                                                                      

فصل چهارم: راکتور دوره‌ای                                                                                                                        

• معادلات عملکرد راکتور دوره‌ای
• نسبت جریان برگشتی بهینه

آزمون خودسنجی                                                                                                                                     

فصل پنجم:واکنش‌های چندگانه                                                                                                                   

• واکنش‌های موازی
• واکنش‌های سری
• واکنش‌های سری ـ موازی
• مطالعه کمی توزیع محصولات و اندازه راکتور

آزمون خودسنجی                                                                                                                                    

• فصل ششم :اتصال راکتور ها به هم
• اتصال راکتورهای لوله‌ای به هم
• اتصال راکتورهای مخلوط شونده به هم
• اتصال راکتورهای مخلوط شونده و لوله‌ای غیر هم حجم به هم

آزمون خودسنجی                                                                                                                                    

• فصل هفتم:اثرات دما وفشار
• واکنش‌های منفرد
• واکنش‌های چندگانه

آزمون خودسنجی                                                                                                                                    

• فصل هشتم:انتخاب راکتور مناسب
• تماس بین ترکیب شونده‌ها
• واکنش‌های موازی
• واکنش‌های سری
• واکنش‌های سری ـ موازی
• راکتورهای مخلوط شونده غیر هم حجم سری
• راکتورهای مخلوط شونده و لوله‌ای غیر هم حجم سری
• واکنش‌های اتوکاتالیستی
• واکنش‌های تخمیری و آنزیمی

آزمون خودسنجی                                                                                                                                    

 بخش هایی از بسته درسی سینتیک و طراحی راکتور

 تقسیم‌بندی واکنش‌های شیمیایی

• واکنش‌های شیمیایی را براساس موارد مختلف می‌توان تقسیم‌بندی کرد که در اینجا سه نمونه از این تقسیم‌بندی ارائه می‌شود:

براساس فازهای موجود ¬ واکنش‌های همگن و واکنش‌‌های ناهمگن

براساس مراحل انجام واکنش ¬ واکنش‌های ابتدایی و واکنش‌های غیرابتدایی

براساس استوکیومتری واکنش ¬ واکنش‌های منفرد و واکنش‌های چندگانه

• واکنش‌های همگن و واکنش‌های غیرهمگن
• واکنش همگن یا متجانس: واکنشی است که تنها در یک فاز انجام می‌گیرد.
• واکنش ناهمگن یا نامتجانس: واکنشی است که در بیش از یک فاز انجام می‌گیرد.
• این دو دسته واکنش‌ها می‌توانند به صورت کاتالیستی و یا غیر کاتالیستی انجام گیرند. اکثر واکنش‌هایی که در فاز گاز انجام می‌گیرند واکنش‌های غیرکاتالیستی و متجانس و اکثر واکنش‌هایی که در فاز مایع انجام می‌گیرند واکنش‌های کاتالیستی و متجانس هستند.
• مثال برای واکنش‌های متجانس غیرکاتالیستی: واکنش‌های سریع مانند احتراق تند
• مثال برای واکنش‌های متجانس کاتالیستی: واکنش‌های آنزیمی، واکنش‌های میکروبی، واکنش‌های انجام شده در سیستم‌های کلوئیدی.
• مثال برای واکنش‌های غیرمتجانس غیرکاتالیستی: احتراق ذغال‌سنگ، جذب همراه با واکنش درسیستم‌های گاز ـ مایع، تشویه سنگ معدن، تأثیر اسید بر روی اجسام جامد، احیاء سنگ آهن به آهن و فولاد
• مثال برای واکنش‌های غیرمتجانس کاتالیستی: سنتز آمونیاک، اکسید کردن آمونیاک جهت تهیه اسید نیتریک، شکستن مواد نفتی، اکسید نمودن ₂SO به ₃SO.
• برای نزدیک کردن واکنش‌های غیرمتجانس به واکنش‌های متجانس می‌توان از روش‌های زیر استفاده کرد:

استفاده از همزن ¬ کاهش مقاومت انتقال جرم

اضافه کردن مواد تعلیق‌کننده و یا امولسیون‌کننده ¬ افزایش سطح تماس برای انجام واکنش و کاهش مقاومت انتقال جرم

استفاده از حلال‌های صنعتی ¬ افزایش رقت محیط و در نتیجه کاهش مقاومت انتقال جرم

خرد نمودن فاز جامد داخل فاز مایع

• واکنش‌های ابتدایی و واکنش‌های غیرابتدایی
• واکنش‌های ابتدایی: واکنش‌هایی هستند که در آنها مولکول‌های واکنشگرها تنها در یک مرحله با هم ترکیب شده و محصولات موردنظر به دست می‌آید.
• واکنش‌های غیرابتدایی یا پیچیده: واکنش‌هایی هستند که در آنها جهت تبدیل مواد اولیه به محصولات چندین مرحله طی می‌گردد.
• مولکولاریته: مولکولاریته که صرفاً برای واکنش‌های ابتدایی مورد استفاده قرار می‌گیرد به تعداد مولکول‌هایی اطلاق می‌شود که در مرحله تعیین سرعت واکنش نقش دارند.
• مولکولاریته یک واکنش یک، بیشتر دو و به ندرت سه است و مقادیر بزرگتر از سه شناخته شده نیست. بنابراین هرگاه مولکولاریته یک واکنش بزرگتر از 3 باشد واکنش حتماً غیرابتدایی است ولی هرگاه مولکولاریته کوچکتر یا مساوی 3 باشد در مورد ابتدایی بودن یا نبودن واکنش نمی‌توان اظهارنظر کرد.
• نکته: برای تعیین مولکولاریته یک واکنش، ضرایب استوکیومتری باید اعداد صحیح باشند.
• • در حالت کلی بین ضرایب استوکیومتری a و b و … و ضرایب نمایی a و b و … رابطه ریاضی وجود ندارد. فقط در حالتی که واکنش ابتدایی باید و ضرایب استوکیومتری واکنش ساده‌ترین اعداد صحیح باشند در این صورت ضرایب استوکیومتری با ضرایب نمایی برابر خواهند بود.
  • ضرایب نمایی a و b و … درجه واکنش نسبت به A و B و … نامیده می‌شوند یعنی واکنش فوق نسبت به A از درجه a و نسبت به B از درجه b و … است. درجه کلی واکنش برابر با مجموع ضرایب نمایی است. بنابراین برای واکنش‌های ابتدایی مولکولاریته و درجه واکنش برابر هستند. یعنی برای مثال اگر مولکولاریته واکنش 3 باشد واکنش از درجه 3 خواهد بود ولی توجه داشته باشید که عکس این موضوع صادق نیست چون ممکن است واکنش چند مرحله‌ای باشد.
  • نکته: درجه کلی بیک واکنش الزاماً یک عدد صحیح نیست. این موضوع در مورد درجه یک واکنش نسبت به هر یک از اجزاء هم صادق است.
  • نکته: در دو حالت زیر نمی‌توان درجه کلی برای یک واکنش تعریف کرد:

  واکنش نسبت به یکی از اجزا از درجه منفی باشد.

  غلظت یکی از محصولات در معادله سرعت وارد می‌شود.

  • نکته: از برابری ضرایب استوکیومتری و ضرایب نمایی نمی‌توان نتیجه گرفت که واکنش تک مرحله‌ای است.
  • اصل برگشت‌پذیر میکروسکوپی
  • در لحظه تعادل، سرعت واکنش رفت با سرعت واکنش برابر است.
  • گاهی از این اصل برای تشخیص ابتدایی یا غیرابتدایی بودن واکنش‌ها استفاده می‌شود، چون مواد اولیه از هر مسیری به محصول تبدیل شوند محصولات هم از همان مسیر به مواد اولیه تبدیل می‌شوند.

• در مسیر رفت مولکولاریته برابر 2 = 1+1 است پس نمی‌توان اظهارنظر کرد.
• در مسیر برگشت مولکولاریته برابر 5 = 3+2 است پس مسیر برگشت غیر ابتدایی است.
• بنابراین هم در مسیر رفت و هم در مسیر برگشت واکنش غیرابتدایی است.
• نکته: هرگاه طرفین یک معادله واکنش شیمیایی را در عددی ضرب یا تقسیم کنیم داریم:
• الف) اگر واکنش ابتدایی باشد معادله سرعت تغییر می‌کند.
• ب) اگر واکنش غیرابتدایی باشد معادله سرعت تغییر نمی‌کند.

• وابستگی سرعت واکنش به دما
• در اکثر واکنش‌ها با افزایش دما، سرعت واکنش زیاد می‌شود. در دماهای معمولی به ازای هر 10 درجه افزایش دما، سرعت واکنش به 2 برابر یا بیشتر افزایش می‌یابد.
• توجه داشته باشید که در واکنش‌های آنزیمی با افزایش دما، سرعت واکنش ابتدا افزایش یافته و سپس کاهش می‌یابد و در واکنش‌های انفجاری با افزایش دما، سرعت واکنش ابتدا افزایش یافته و سپس ثابت می‌ماند.

برای مشاوره اینجا بزنید