Уравнение скорости реакции в соответствии со стехиометрическим уравнением записываем в виде
или
Зависимость рассчитана при значениях сА от 1,5 до 0,3 кмоль/м3 с шагом 0,2.
Таблица 4. Расчетные значение скорости реакции и концентрации вещества
сА, кмоль/м3 | 1,5 | 1,3 | 1,1 | 0,9 | 0,7 | 0,5 | 0,3 |
,м3/(кмоль×ч) | 22,.5 | 16,9 | 12,1 | 8,1 | 4,9 | 2,5 | 0,67 |
Построим график зависимости от сА
Рис.9. Графическая зависимость скорости реакции от концентрации вещества
Если из точки на оси абсцисс сА,0 провести прямую, то получим точку пересечения с кривой в точке а. При проведении процесса в одну ступень получаем (рис 7.3):
,
t = 0,63 ч.
Объем единичного реактора:
V РИС-Н = GV,0 × t = 10×0,63 = 6,3 м3.
Примечание: так как по условию объемы трех реакторов одинаковы, то угол наклона проведения прямых к точкам пересечения с кривой будет одинаков. Если уменьшим объем реактора, то для достижения заданной степени превращения необходимо увеличить количество реакторов в каскаде. При этом угол наклона поменяется и будет постоянным для всего количества реакторов в каскаде. Соответственно изменится и время пребывания реагентов в реакторе.
Задачи для самостоятельного решения
1. В каскаде из трех реакторов смешения (см. рис.10) проводится жидкофазный процесс, описываемый реакцией. А→R→S с константами скоростей реакции k1=0.6 мин-1, к2 =0,3 мин-1.
Рис.10. Последовательное соединение РИС-Н.
Время пребывания в реакторах соответственно: τ1 = 5 мин, τ 2 = 7 мин, τ 3 = 10 мин. Определить концентрации всех веществ на выходе из каждого реактора и каскада в целом. Продукты реакции в исходном потоке отсутствуют, а концентрация реагента А равна 1,8 моль/л.
2. При условиях задачи 1 рассчитать концентрацию веществ в каждом реакторе (см. рис. 7.), если τ1= 10 мин, τ2 = 7 мин, τ3 = 5 мин.
3. В жидкофазном процессе протекает реакция А → R. первого порядка с константой скорости k = 0,5 мин-1. Концентрация вещества СА0 = 2,4 моль/л. Требуемая степень превращения вещества А составляет 80%. Определить допустимый расход вещества А в течение 1 часа для одного, двух и трех реакторов, соединенных последовательно, если объем единичного реактора равен 0,3 м3.
4. В проточном реакторе идеального смешения проводится жидкофазная реакция первого порядка с константой скорости k = 0,25 мин-1 и достигается степень превращения, равная 0,6. Определить степень превращения, если вместо одного реактора взять три последовательно работающих реактора идеального смешения при том же реакционном объеме.
5. Жидкофазный процесс описывается простой обратимой реакцией второго порядка А + В = R. + S с константами скоростей kх = 0,12 м3/(кмоль∙с) и k2 = 0,05 м3/(кмоль∙с). Потоки веществ А и В подаются в реактор раздельно с равными объемными скоростями и концентрациями СА0 = Сво = 1,4 моль/л. Процесс проводится в реакторе идеального смешения объемом 0,1 м3. Требуемая степень превращения вещества А равна 0,75xравн. Определить объемные потоки веществ А и В. Рассчитать необходимое количество реакторов объемом 0,02 м3, соединенных последовательно, для проведения данного процесса.
6. Сравнить объемы единичного реактора идеального смешения Vрис каскада, состоящего из п реакторов идеального смешения объемом 0,1Vрис каждый и реактора идеального вытеснения Vрив при проведении жидкофазного процесса, описываемого реакцией 2А —> К с константой скорости реакции, равной 0,6 м3/(кмоль∙мин). Степень превращения вещества А составляет 0,8, объемный расход вещества А с концентрацией 24 кмоль/м3 - 2,8 м3/ч.
7. Жидкофазный процесс, описываемый обратимой реакцией второго порядка А + В = R + S с константами скорости прямой k1 = 22 л/(моль∙ч) и обратной k-1 = 2 л/(моль∙ч) реакций, проводится в РИС-H объемом 0,5 м3. Потоки веществ А и В подаются в реактор раздельно с равными концентрациями: САисх = Св исх. После взаимного разбавления потоков концентрация СА0 = 1,6 кмоль/м3, а соотношение концентраций СА0 : Сво= 1 : 1,5. Процесс проводится до Хв= 0,6 хв,равн. Определить объемные потоки исходных веществ и производительность по продукту R.
8. Жидкофазный процесс, описываемый простой реакцией второго порядка А + В → 2R с константой скорости реакции 2 л/(моль∙мин), осуществляется в каскаде реакторов смешения. Объемные потоки реагирующих веществ А и В VА0 = VВ0 = 5 л/мин. Концентрации веществ в потоках одинаковы и равны 1,4 моль/л. Степень превращения вещества А после первого реактора равна 0,25. Требуемая степень превращения должна быть 0,75. Определить объем реактора и количество реакторов в каскаде.
9. Жидкофазный процесс, описываемый обратимой реакцией второго порядка 2А <=> R + S с константой скорости прямой реакции k1 = 0,9 м3/(кмоль∙ч) и константой равновесия К = 16, необходимо осуществить до степени превращения, равной 85% равновесной. Объемный расход вещества А при концентрации СА0 = 40 кмоль/м3 составляет 3,6 м3/ч. Определить объем РИС-H и число реакторов в каскаде при условии, что объем реактора в каскаде составляет 10% объема РИС-H.
10. Определить количество вещества А, перерабатываемого за 1 час в РИС-H, РИВ и каскаде из трех одинаковых по объему реакторов идеального смешения (см. рис. 7) при условии, что во всех случаях объем реакционной зоны равен 2,1 м3. Концентрация вещества А в исходном потоке составляет 3 кмоль/м3, требуемая степень превращения вещества А - 0,8, константа скорости реакции - 0,12 мин-1.
11. Процесс описывается реакцией типа А → 2 R и осуществляется в установке из трех реакторов смешения (см. рис. 1). Объемы реакторов Vp1 . = Vp2= 0,2 м3, Vp3 = 0,5 м3. Константа скорости реакции равна 0,02 с-1. Объемный расход вещества А составляет 180 м3/ч. Концентрация исходного вещества А равна 2,6 кмоль/м3. Входной поток вещества А делится поровну. Определить производительность установки по продукту R.
12. Процесс описывается реакцией типа А → 2R и осуществляется в установке из трех реакторов смешения (см. рис. 4). Объемы реакторов Vp1 . = Vp2= 0,2 м3, Vp3 = 0,5 м3. Константа скорости реакции равна 0,02 с-1. Объемный расход вещества А составляет 180 м3/ч. Концентрация исходного вещества А равна 2,6 кмоль/м3. Степени превращения в ветвях установки одинаковые, Определить производительность установки по продукту R.
13. Жидкофазный процесс описывается реакцией первого порядка А→ 2R с константой скорости k= 8,3∙10-3 с-1. Концентрация исходного вещества составляет 0,36 моль/л. Расход реакционной смеси 0,13 м3/мин. Процесс проводится в установке из трех реакторов смешения,соединенных последовательно (см. рис. 7) объемом 0,3 м3. Определить производительность установки по продукту R.
14. Процесс, описываемый реакцией типа А →R с константой cкорости k= 0,027 c-1, проводится в установке (см. рис. 6), состоящей из трех реакторов. Объем реактора вытеснения Vp3 = 0,05 м3. Объемы реакторов смешения Vp1 . = Vp2. Объемный расход вещества А составляет 100 л/мин с концентрацией 2,8 моль/л. Определить объемы реакторов Vp1 . и Vp2,если входящий поток делится поровну.
СПИСОК использованной ЛИТЕРАТУРЫ
1. В.И. Игнатенков, В.С. Бесков. Примеры и задачи по общей химической технологии. М.:ИКЦ «Академкнига», 2005.-198с.
2. Ю.В.Попов, Б.И. Но Инженерная химия. Волгоград, 2003.-208с.
3. Расчеты химико-технологических процессов. А.Ф. Туболкин, Е.С. Тумаркина, Э.Я. Тарат, Е.С. Румянцева и др..; под ред. И.П. Мухленова.-Л.: Химия, 1982.-282 с.
4.Р. Михаил, К. Кырлогану Реакторы в химической промышленности. Л.: Химия, 1968.- 384 с.
5. Смирнов Н.Н.,Волжинский А.И.Химические реакторы в примерах и задачах. Л.: Химия, 1986. 226 с.
6. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза. М.: Химия, 1981. 6с.
7. Краткий справочник физико-.химических величин / Н.М. Барон, А.М. Пономарева, А.А. Равдель и др. Л.: Химия, 1983. 232 с.
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………...………………….3
1. Классификация реакторов…………………………………………………………….5
1.1.Реактор идеального смешения непрерывного действия……………………..9
1.2.Реактор идеального вытеснения…………………………………………………..19
1.3. Реакторы идеального смешения периодического действия……………….27
1.4. Последовательные и параллельные схемы реакторов…………………...….34
Список использованной литературы…………….…………………...53
Геннадий Михайлович Бутов
Гаджи Рабаданович Гаджиев
Карим Рамез Саад
Расчеты химических реакторов
Учебное пособие
в авторской редакции
Темплан 2009 г., поз. №__
Лицензия ИД № 04790 от 18.05.01 г.
Подписано в печать___________________. Формат 60×84 1/16
Бумага газетная. Печать офсетная. Усл. печ. Л. 302
Уч.-изд. Л. 312. Тираж 150.Заказ____
Волгоградский государственный технический университет
400131 Волгоград, просп. им. Ленина,28.
РПК «ПОЛИТЕХНИК»
Волгоградского государственного технического университета.
400131 Волгоград, ул. Советская, 35.