Sürekli boru reaktörde ekzotermik gaz reaksiyonlarında soğutmanın dönüşüme etkisi

Abstract

ÖZET Heterojen katalitik reaksiyonlar genellikle ekzotermiktir. Dolayısıyla reaktör soğutulmadığı takdirde, ortaya çıkan reaksiyon ısısı gaz karışımına transfer olmaktadır. Reaktan konsantrasyonlarının küçük alınması durumunda reaksiyon ısısı ihmal edilecek düzeyde olup izoterm koşulu sağlanmaktadır. Fakat, büyük reaktan konsantrasyonlarında yüksek reaksiyon ışılan ve yüksek sıcaklıklar meydana gelmektedir. Ortaya çıkan reaksiyon ısısı ise reaktör malzemesinde tahribata yol açacağından soğutulması gerekmektedir. Bu çalışmada,.sürekli boru reaktörde plug-flow (ideal reaktör) ve laminar akışh, heterojen katalitik bir reaksiyon olan etilenin hidrojenlendirilmesi reaksiyonu (C2H4 +H2 - > C2H6) soğutmalı olarak incelenmiştir. Model reaksiyonda reaksiyon ısısının yüksek olması için boru girişinde stokiometrik karışım öngörülmüştür. Boru reaktördeki reaksiyon ısısının çekilmesi hava ve yağ ile sağlanmıştır. Reaktör içerisindeki olayları belirleyen hız, yoğunluk, sıcaklık, difuzyon katsayıları, kimyasal dönüşüm gibi parametrelerin soğutmayla nasıl değiştiği araştırılmıştır. Ayrıca adyabatik reaktör modeli ile soğutmalı reaktör modeli kıyaslanmışür. Plug-flow ve laminar akışh, heterojen katalitik boru reaktör içerisindeki olayları akış, süreklilik, kütle transfer, enerji ve ideal gaz denklemleri belirlemektedir. Denklem sistemi boyutsuz büyüklüklerle ifade edilmiştir. Denklem sisteminin karmaşık olması nedeniyle klasik yolla çözümü imkansızdır. Bu yüzden, kısmi türevli denklem sistemindeki lineer olmayan terimler lmeerleştirilmiş ve sonlu farklar yöntemiyle çözüme varılmıştır. Sonuçlar diyagramlar halinde sunulmuştur. Elde edilen sonuçlara göre; adyabatik reaktörde çok yüksek sıcaklıklar meydana gelmektedir. Havayla soğutmalı reaktörlerde; sıcaklığın düştüğü ve adyabatik reaktöre göre daha iyi dönüşümün olduğu görülmektedir. Aşın soğutmada yani yağla soğutma durumunda ise reaktör izoterm hal almakta olup dönüşüm kötüleşmektedir.

ABSTRACT Heterogeneous catalytic reaction are generally exothermic. Hence, if the reactor is uncooled, the heat generated during the reaction is transferred to gas mixture. When reactant concentration is kept at small quantities, the reaction heat can be neglected, and an isothermal condition is assumed. However, in case of high reactant concentrations large quantities of reaction heat is generated and high temperatures are occured. The generated reaction heat needs to be cooled since it can cause damage in the reactor equipment. In this study,.plug-flow (ideal reactor) and laminar flow in the steady tubular reactor models were investigated as cooled reactor. The hydrogenenation of ethylenewas used as amodel reactor. A stoichiometric mixture is assumed in order to have high reaction heat in model reaction. The disposal of reaction heat in tubular reactor is achieved through the use of air and oil. The variations due to cooling in the parameters such as velocity, density, temperature, diffusion coefficients and chemical conversion controlling the phenomenon inside the reactor were investigated. Furthermore, adiabatic reactor and cooled reactor models were compared. The phenomenon taking place inside heterogeneous catalytic tubular reactor during the plug-flow and laminar flow are represented by a system of continuity, mass transfer, energy and ideal gas equations. The equations are expressed in dimensionless parameters. Due to the complicated nature of the since equation system, obtaining an analytical solution is impossible. Therefore, the nonlinear terms to be linearized in the partial differential equations and a finite difference solution method was used. The results were given by diagrams. The results showed that very high temperatures are reached in adiabatic reactor. On the other hand, in the air-cooled reactors, low temperatures are involved and a better conversion is observed than that of adiabatic reactor. In the case of strogly cooling, e.g. cooled by oil, reactor becomes isotherm and conversion gets worse.