Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей среды движется по высоте (длине) реактора параллельно другим элементам, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема.

На рис. 2 схематично показана изменение степени превращения х_А, исходных концентраций С_А и других параметров в реакторе идеального вытеснения. Материальный баланс такого реактора при G_нач = 0 запишется в виде:

Gпр= Gух+ Gхр (7) (8) (9) (10)

Рис.2. Схема реактора идеального вытеснения.

После подстановки значений составляющих материального баланса в уравнение (7) и преобразований получим:

(11).

Приведенное уравнение с начальным условием V=0, С_А= С_А0 для некоторых видов простых химических реакций имеет аналитическое решение. В таблице 2 приведены решения уравнения (11) как расчетные формулы для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения при проведении в нем необратимых химических реакций, когда реакционный объем остается постоянным.

Таблица 2. Расчетные уравнения для реактора идеального вытеснения

Схема реакции	Кинетическая модель	Расчетные уравнения
	при

Продолжение таб.2

Примеры расчетов.

Пример 5.

Определить объем реактора идеального вытеснения для реакции протекающего без изменения объема реакционной массы.

Дано:

реакция А → S;

порядок реакции n=1;

объемный расход исходного вещества G_V = 30 л/мин;

начальная концентрация исходного вещества С_А0= 0,2 моль/л;

константа скорости реакции k= 0.25 мин ^-1;

степень превращения x_A = 0,82.

Решение.

По базовому уравнению РИВ определяем время реакции:

Рассчитываем объем РИВ:

; .

Пример 6.

Определить производительность реактора по продукту R рассчитать объем реактора идеального вытеснения для полученной производительности, если данная реакция проводиться в РИС-Н.

Дано:

реакция 2А → R;

порядок реакции n=2;

объемный расход исходного вещества G_V = 3,6 м³/ч;

начальная концентрация исходного вещества С_А,0= 0,5 кмоль/м³;

константа скорости реакции k= 2,3 л/(моль∙мин);

V_РИС-Н= 0,4 м³ .

Решение.

Определим время пребывания в реакторе смешения:

Из базового уравнения для реактора смешения находим

, где , находим значение

Рассчитываем степень превращения вещества А:

Находим производительность по продукту R:

П_R = G₀ С_А,0 х_А /v_A =3,6∙0,5∙0,7/2=0,63кмоль/ч.

Рассчитываем время пребывания в реакторе идеального вытеснения(см. таб.2):

Определяем объем реактора вытеснения по формуле:

Пример 7.

Определить мольную нагрузку на реактор по веществу А и степень превращения в реакторе вытеснения.

Дано:

реакция

порядок реакции n=2;

объемный расход исходного вещества G_V = 6 м3/ч;

концентрация продукта R на выходе из реактора равна 2.5 кмоль/м3;

константа скорости реакции k₁= 0,3 мин^-1, k₂= 0,2мин^-1;

V_РИВ = 300 л.

Решение.

Определяем мольную нагрузку на реактор

Неизвестную начальную концентрацию вещества А на входе в реактор определяем из уравнения:

.

Находим время пребывания:

Рассчитываем начальную концентрацию вещества А:

Находим мольную нагрузку на реактор:

Определяем концентрацию вещества А на выходе из реактора исходя из базового уравнения для реактора вытеснения:

Интегрируя это уравнение и решая относительно С_А, получаем:

Рассчитываем степень превращения вещества А:

Задачи для самостоятельного решения

1. Жидкофазная реакция типа А→ R→S имеет константы скоростей, равные к₁=2 с^-1 и к₂= 0,8с^-1. 4.5 ч^-1.Объемный расход исходного вещества А с концентрацией 1,8 моль/л составляет 18 м³/ч. Рассчитать объем реактора вытеснения для получения максимального количества вещества R, селективность и производительность по продукту R.

2. В непрерывном реакторе смешения проводится последовательная реакция типа А→R→S с константами скоростей к₁=0,5 ч^-1 и к₂=0,8 ч^-1. Исходная концентрация вещества А равна 5 кмоль/м³. Продукты R и S на входе в реактор отсутствуют. Рассчитать необходимый объем реактора вытеснения, степень превращения вещества А, селективность и выход целевого продукта.

3. Процесс описывается параллельной реакцией типа

с константами скоростей к₁= 0,28 л/(моль/мин) и к₂ = 0,12 л/(моль/мин). Процесс проводится в реакторе вытеснения объемом 140 л. Поток вещества А поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Степень превращения вещества А составляет 0,7. Определить производительность реактора по продукту R.

4. Процесс описывается параллельной реакцией типа

с константами скоростей к₁= 0,28 мин^-1 и к₂ = 0,12 мин^-1. Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе вытеснения. Определить объем реактора и концентрацию вещества S при условии, что производительность по продукту R составляет 4,8 кмоль/ч.

5. Процесс описывается параллельной реакцией типа

с константами скоростей к₁= 0,28 л/(моль/мин)и к₂ = 0,12 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Объем реактора вытеснения - 0,4 м3 Определить производительность реактора продукту R и селективность процесса по веществу S.

6. Процесс описывается реакцией первого порядка типа А → 2R с константой скорости к = 0,0024 с^-1. Исходная концентрация вещества А - 1,6 моль/л. Объемный расход вещества А – 3,6 м3/ч. Заданная степень превращения по веществу А равна 0,86. Определить производительность реактора вытеснения по продукту R и его объем.

7. Процесс описывается реакцией второго порядка с константой скорости 0,023 м3/(кмоль∙ с). Исходная концентрация вещества А составляет 0,6 моль/л, объемный расход вещества А -3,6 м3/ч. Определить производительность реактора вытеснения объемом 200 л по продукту R.

8. Жидкофазная реакция типа А → 2R имеет константу скорости, равную 0,12 мин^-1. Концентрация вещества А равна 3,0 моль/л. Реакция осуществляется в реакторе вытеснения объемом 0,3 м3. Заданная степень превращения 0,88. Рассчитать производительность по продукту R.

9. Жидкофазный процесс описывается сложной реакцией.

А+ 3В = D+S

2A=R

2R = K.

10. Исходная смесь, в которой отсутствуют продукты реакций, подаются с объемным расходом 0,005л/с и концентрацией вещества А, равной 10 кмоль/м3. На выходе из реактора концентрации веществ равны С_В =2, С_А=5, С_R=1, С_S=3 кмоль/м3. Определить расход реагента В.

11. Процесс описывается реакцией типа А + В→ R с константой скорости k = 0.28 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,6 моль/л и вещества В с концентрацией 2,0 моль/л равны 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 1,2 м³. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Определить производительность реактора по продукту R.

12. Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,54 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,8 моль/л и вещества В с концентрацией 2,7 моль/л равны 100 и 80 л/мин. Производительность реактора по продукту R составляет 8,64 кмоль/ч, концентрация продукта R на выходе - 0,8 моль/л. Определить требуемый объем реактора смешения

13. Процесс описывается реакцией типа 2А → R с константой скорости k = 0,64 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,8 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 3,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения.

14. Процесс описывается реакцией типа А → 2R с константой скорости k = 0,24 мин^-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А - 1,8 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 5,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения и объемный расход исходной смеси.

15. Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка типа 2А R с константами скоростей: прямой k₁ = 61,4 м³/(кмоль/ч) и обратной k₂ = 2,4 ч^-1 реакций. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,4 моль/л. Объем реактора смешения равен 0,22 м³. Определить производительность реактора по продукту R за час.