Impianti chimici/Operazioni adiabatiche

Le operazioni chimiche e le loro espressioni matematiche mostrate fino ad adesso erano operazioni isoterme, ove si assume che la temperatura sia uniforme e costante nel tempo. Per ottenere tale condizione è che il sistema abbia uno scambio termico infinito, che riesca a smaltire tutto il calore generato dalla reazione. Nella pratica, le condizioni isoterme sono di difficile ottenimento, nonché anti-economiche.

Si preferisce, soprattutto nelle reazioni esotermiche, di limitare lo scambio termico. Questo ha come conseguenza che:

• il calore di reazione riscalda la miscela reagente e si ha un aumento della velocità di reazione soprattutto alle alte conversioni, ove normalmente questa è molto bassa. Il volume del reattore sarà inferiore;
• permette di partire da temperature iniziali di reazioni inferiori, con risparmio di energia per il preriscaldamento dei reagenti.

Il bilancio di calore intorno ad un reattore con scambio termico

$F_{0}H_{0}=F_{1}H_{1}+UA(T-T_{e})$

Il primo termine è l'entalpia dei reagenti all'entrata, il secondo l'entalpia dei prodotti all'uscita e l'ultimo rappresenta il calore scambiato con un fludo termico alla temperature T_e. Se il termine di scambio termico è nullo, ovvero se non ci sono scambi di calore con l'esterno, un reattore si dice adiabatico; se lo scambio è solo parziale, esso si dice poitropo.

Bilancio di materia e di energia

Nel caso di un reattore adiabatico, i bilanci di energia e materia devono essere risolti contemporaneamente

Reattori adiabatici in serie

Nelle reazioni reversibili la temperatura gioca sia sulla cinetica

, come ad esempio la conversione SO₂ + 0.5 O₂ ⇔ SO₃

Reattore politropo

Coefficiente di scambio tra il fluido e l'impaccamento

$j_{H}={\frac {Nu}{RePr^{1/3}}}={\frac {1.1}{Re_{bed}^{0.41}-1.15}}$

Coefficiente di scambio tra il fluido e le pareti interne in un reattore impaccato

$NuPr^{-0.4}=0.4Re_{bed}^{1/2}+0.2Re_{bed}^{2/3}$

Stabilità di un reattore politropo

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