Реакторы идеального смешения

Периодического действия

Реактор идеального смешения периодического действия представляет собой аппарат, снабженный перемешивающим устройством. Загрузка реагентов и выгрузка продуктов осуществляется периодически. Материальный баланс реактора периодического действия в соответствии с уравнением 1:

(12);

(13);

(14).

После разделения переменных и интегрирования находим:

(15).

Уравнение 15 позволяет определить необходимое время пребывания реагентов в реакторе периодического действия для достижения заданной степени превращения. При постоянном реакционном объеме уравнение приобретает вид:

(16).

В случае, когда объем реакционной массы меняется уравнение 16 примет вид:

(17).

В тех случаях, когда в РИС-П проводится реакция, порядок которой отличается от 0 и 1, интегрирование уравнения становится затруднительным, поэтому расчет рабочего времени химической реакции производится методом графического интегрирования.

В то же время, если известно время реакции, объем РИС-П можно найти, используя уравнение:

(18),

где Gv- суточная производительность;

z- запас мощности (0,1- 0,25);

φ- коэффициент заполнения (0,6 - 0,85);

τ_п - полное время периодического процесса () Это время складывается из времени реакции () и вспомогательного времени (), которое идет на загрузку и на выгрузку, нагревание и охлаждение реактора периодического действия и другое.

Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны в малотоннажных производствах (фармацевтических, парфюмерных и др.). Рассмотрим некоторые примеры расчетов реакторов периодического действия.

 

Пример 8.

Определить, какое количество вещества А можно переработать в РИС – П за сутки при проведении реакции в постоянном объеме.

Дано:

реакция А → R;

порядок реакции n=1;

V_РИС-П = 10 м³;

время загрузки и выгрузки за одну операцию – 80мин;

коэффициент заполнения φ - 0,8;

начальная концентрация исходного вещества С_А,0= 20 кмоль/ м³;

константа скорости реакции k= 0,03 мин^-1;

степень превращения x_A = 0,9.

Решение.

Время химической реакции определяем по уравнению (16):

Определяем полное время проведения процесса.

Определяем количество циклов, которое можно осуществить за одни сутки.

.

Исходя из коэффициента заполнения реактора определяем полезный объем реактора.

.

Определяем количество вещества, которое можно переработать за один процесс:

.

Определяем количество вещества, которое можно переработать за одни сутки:

.

Задачи для самостоятельного решения

1. Процесс описывается реакцией типа 2А → R+ С с константой скорости k = 0,03 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,9, исходная концентрация вещества А - 2 моль/л, Объем реактора смешения периодического действия – 10 м³. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию τ_в= 30 мин. Определить какое количество вещества А можно переработать за сутки.

2. Процесс описывается реакцией типа А → 2R+ С с константой скорости k = 0,5 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А – 1,8 моль/л, Объемный расход реактора смешения периодического действия – 2 м³/мин. Коэффициент заполнения реактора 0,7. Полное время пребывания реагентов в реакторе реакции τ_п= 40 мин. Рассчитать необходимый объем реактора смешения периодического действия, степень превращения вещества А, селективность и выход целевого продукта R.

3. Жидкофазная реакция типа А → 2R имеет константу скорости k = 3,8 ч^-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А – 0,8 моль/л, Объем реактора смешения периодического действия – 4 м³. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию τ_в= 20 мин. Определить суточную производительность по продукту R.

4. Процесс описывается последовательной реакцией типа А→R с константой скорости k = 0,14 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 4 м³/ч. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 140 л. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 48 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.7. Определить концентрации всех веществ на выходе из реактора, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.

5. Процесс описывается реакцией типа 2А→R с константой скорости k = 0,15 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 40 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 200 л. Концентрация вещества А равна 2,2 моль/л. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 40 мин. Определить производительность реактора по продукту R за сутки, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.

6. Процесс описывается реакцией типа А + В → R c константой скорости k = 0,18 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 40 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 250 л. Концентрация вещества R на выходе из реактора равна 1,2 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 25 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. Определить концентрацию вещества А на входе в реактор и степень превращения вещества A.

7. Процесс описывается параллельной реакцией типа А + В → R+S с константами скоростей k₁= 0,18 л/(моль/мин) и k₂ = 0,14 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,7 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 100 л. Степень превращения вещества A составляет 0,9. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 10 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. Определить допустимый расход вещества А.

8. Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,28 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 180 л. Степень превращения вещества A составляет 0,7. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 30 мин. Коэффициент заполнения реактора -0,76.Определить производительность реактора по продукту R за час.

9. Процесс описывается параллельной реакцией типа

 

с константами скоростей k₁= 0,15 л/(моль/мин) и k₂ = 0,11 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 25 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. Определить объем реактора и достигаемую в нем степень превращения вещества А при условии, что производительность по продукту R составляет 4,8 кмоль/ч.

10. Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0.48 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,3 моль/л и вещества В с концентрацией 2,2 моль/л равны 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 2,2 м³. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 40 мин. Коэффициент заполнения реактора - 0.65. Определить производительность реактора по продукту R за сутки.

11. Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,39 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,3 моль/л и вещества В с концентрацией 1,7 моль/л равны 80 и 60 л/мин. Производительность реактора по продукту R составляет 8,64 кмоль/ч, концентрация продукта R на выходе - 0,8 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 50 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.7. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия.

12. Процесс описывается реакцией типа 2А → R с константой скорости k = 0,44 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,9, исходная концентрация вещества А - 2,3 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 4,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия.

13. Процесс описывается реакцией типа А → 2R с константой скорости k = 0,24 мин^-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,7, исходная концентрация вещества А - 1,7 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 2,8 кмоль/ч. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 20 мин. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия и объемный расход исходной смеси..

14. Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка типа 2А R с константами скоростей: прямой k₁ = 55,4 м³/(кмоль/ч) и обратной k₂ = 3,2 ч^-1 реакций. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,4 моль/л. Объем реактора смешения периодического действия равен 0,8 м³. Определить производительность реактора по продукту R за час.