Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Сравнение эффективности реакторов периодического и непрерывного действия. Выбор реактора по селективности.

При одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глубины превращения среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального смешения больше, чем в реакторе идеального вытеснения. Скорость реакции, согласно закону действующих масс, пропорциональна концентрации реагентов. Следовательно, в реакторе идеального вытеснения она всегда выше, чем в проточном реакторе идеального смешения.

Ранее указывалось, что для проточного реактора идеального смешения (а) среднее время пребывания (τ): τС=(CA,0-CA,f)*(1/wrA*(CA,f)) или τС=(xA,f)*(CA,0/wrA*(xA,f)), то есть определяется произведением двух постоянных величин и геометрически может быть представлено виде прямоугольника с соответствующими сторонами:

Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Сравнение эффективности реакторов периодического и непрерывного действия. Выбор реактора по селективности. - student2.ru Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Сравнение эффективности реакторов периодического и непрерывного действия. Выбор реактора по селективности. - student2.ru Для стационарного реактора идеального вытеснения (б): CA,f τ B= - ∫1/(wr,A(CA))*dCA, или CA,0 XA,f τ B= CA,0 ∫ 1/(wr,A(xA)) *dxA 0

То есть величина τB, как определённый интеграл выражается площадью криволинейной трапеции.

Из рисунка видно, что площади криволинейных трапеций, соответствующие τB меньше площадей прямоугольников, соответствующих τС, причём разница тем больше, чем больше достигаемая в реакторе степень превращения исходного реагента. Следовательно, при равном объёмном расходе и одинаковом выходе продукта, реактор идеального вытеснения должен иметь меньший объём, чем проточный реактор идеального смешения. Интенсивность J=П/V будет выше.

Достигаемая на выходе из реактора концентрация целевого продукта СR будет определяться, с одной стороны, выбранным типом реактора, а с другой – кинетическими особенностями реакций, которые могут быть учтены через дифференциальную селективность φ’, равную отношению скорости расходования реагента А на целевую реакцию к общей скорости его расходования.

Сравним проточные реакторы идеального вытеснения и идеального смешения при проведении параллельных реакций разного порядка: a1A→rR и a2A→sS (1) по выходу целевого продукта (R). Выход (R) может быть представлен: ФR=CR/CR,MAX=CR/(CA,0 *r/a1) (2). Уравнение (1) представим: A→r/a1 * R; A→S/a2 * S (3). Скорость расходования продукта А (на целевую реакцию): ωA=1/(r/a) * dCR/dτ. Тогда φ’=[(1/(r/a))*dCR/dτ]/-dCA/dτ=-1/(r/a1) * dCR/dCA (4) Проинтегрировав уравнение (4), получим зависимость CR от дифференциальной селективности φ’:

CA,f CA,f

CR=-r/a1 ∫ φ’dCA (5) , подставим (5) в (2), получим ФR=-1/CA,0 ∫ φ’ dCA (6)

CA,0 CA,0

Здесь дифференциальная селективность, стоящая, под знаком интеграла является в общем случае убывающей или возрастающей функцией от концентрации исходного реагента А (см. 4). Если φ’ не постоянна, необходимо провести интегрирование для определения ФR (см. 6). В частности, для реактора идеального вытеснения (РИВ). Если CA постоянна по всему объёму и во времени, то уравнение (6) для (РИС) реактора идеального смешения можно упростить: ФR,C=(CA,0-CA,f)/CA,0 * φ’(CA,f) (7). Выход целевого продукта по уравнениям (6) и (7) для РИВ и РИС можно представить графически в виде площадей криволинейной трапеции (ФR,B) (1) и прямоугольника (ФR,C). На рисунках n1 и n2 – обозначены порядки соответственно целевой и побочной реакций.

Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения. Сравнение эффективности реакторов периодического и непрерывного действия. Выбор реактора по селективности. - student2.ru

Если n1 > n2, то выход целевого продукта в РИВ больше, чем в РИС, если n1< n2, то выход целевого продукта в РИС больше, чем в РИВ, при n1 = n2 выход целевого продукта в РИС одинаков с таковым в РИВ. Это надо учитывать при выборе типа реактора, также надо учитывать, что РИВ имеет меньший объём, но большее сопротивление и трудность чистки таких аппаратов. РИС имеют низкие концентрации, низкие скорости реакции: чтобы использовать преимущества РИС и увеличение концентрации, можно использовать каскад РИС при их последовательном включении.

Лекция 15.

Наши рекомендации