Расчеты химических реакторов

Число точек

1	2	3	4	5	6
хA	0	0,2	0,4	0,5	0,6	0,7
r*10^3моль / л *мин	18	13,1	8,97	7,02	5,3	3,74
1/ r л * мин / моль	56,6	76,3	112	142	167	267

Построим график зависимости обратной скорости от степени превращения и рассчитаем площадь под кривой.

Рис. 8. График зависимости обратной скорости реакции от степени превращения

Примечание: для нахождения площади под кривой необходимо:

1. 
   выбрать единицу измерения площади (квадрат, прямоугольник) и определить ее площадь путем умножения значений сторон с учетом размерности. Например, масштаб выбранного прямоугольника (рис.8) будет равен произведению х_А на 1/υ_r, т.е. 0,1·50=5 л·мин/моль·см²;
   
2. 
   определить число целых и дробных единиц измерения площади (квадрат, прямоугольник) путем их суммирования;
   
3. 
   найти площадь умножением полученной суммы на масштаб;
   

S= = Σs · 50.
Площадь под кривой равна = 41,4 л·мин/моль.
Так как ^G _v,0 ^{= 6 м3/час или 0,1 м3/мин,}
_{то Vрив = Gv,0 · cА,0 · = 0,1· 0,04· 41,4 = 0,166 м}³ _{или 166 л.
Сравнивая объемы Vрис-н и Vрив, можно сделать вывод, что РИВ является более эффективным реактором, чем РИС-Н.}
Пример 14.
Определить объем одного реактора и время пребывания реагента в каскаде реакторов.
Дано:
реакция А+ В = R + S;
начальная концентрация реагента А с_А,0 = 0,3 моль/л;
степень превращения х_А= 0.7;
объемный расход G_v,o = 20 л/мин;
константа скорости k = 0,38 мин^-1;
число реакторов в каскаде равно 4.
Решение.

1. 
   Объём реактора полного смешения, необходимый для достижения заданного степени превращения, определяем по уравнению:
   

, где
- конечная концентрация реагента А.
моль/л;
.
2. Среднее время пребывания реагентов в РИС-Н определяем из уравнения (11):
.
Время пребывания в каждом реакторе каскада будет равно:
.
Тогда объем реактора в каскаде будет равным:
.
Пример 15.
Определить объем одного реактора в каскаде, полагая, что V₁=V₂=V₃.

Дано:
реакция 2А= R + S;

начальная концентрация реагента А_,0 = 1,5 кмоль/м³;
необходимая степень превращения х_А= 0.8 от равновесной;
объемный расход G_v,o = 10 м³/ч;
константа скорости k₁ = 10 м³/(кмоль∙ч);
число реакторов в каскаде равно 3;
константа равновесия Кр =16,0
Решение.
Равновесную концентрацию реагента А определяем из выражения
константы равновесия:

Обозначим равновесные концентрации через y.
Тогда с^*_А = 1,5-2у, с^*_В = с^*_С = y.
Подставляя в уравнение для константы равновесия, получим:
.
Решая уравнение, находим значение у =0,66 кмоль/м³ . Полученное значение представляет собой равновесную степень превращения. По условию реагент А прореагирует на 80% от равновесной степени превращения:
х_А= 0,80,66 = 0,53 кмоль/м³
Тогда конечная концентрация реагента А составит:
с_А = 1,5- 20,533 = 0,43 кмоль/м³

Уравнение скорости реакции в соответствии со стехиометрическим уравнением записываем в виде

или
Зависимость рассчитана при значениях с_А от 1,5 до 0,3 кмоль/м³ с шагом 0,2.
Таблица 4. Расчетные значение скорости реакции и концентрации вещества

сА, кмоль/м^3	1,5	1,3	1,1	0,9	0,7	0,5	0,3
,м^3/(кмольч)	22,.5	16,9	12,1	8,1	4,9	2,5	0,67

Построим график зависимости от с_А

Рис.9. Графическая зависимость скорости реакции от концентрации вещества
Если из точки на оси абсцисс с_А,0 провести прямую, то получим точку пересечения с кривой в точке а. При проведении процесса в одну ступень получаем (рис 7.3):
,
 = 0,63 ч.
Объем единичного реактора:
V _РИС-Н = G_V,0   = 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 С_А0 = 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 k_х = 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 С_А0 = С_во = 1,4 моль/л. Процесс проводится в реак­торе идеального смешения объемом 0,1 м³. Требуемая степень превра­щения вещества А равна 0,75x_равн. 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 V_рис каскада, состоящего из п реакторов идеального смешения объе­мом 0,1V_рис каждый и реактора идеального вытеснения V_рив 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: С_Аисх = С_{в исх}. После взаимного разбавления потоков концентрация С_А0 = 1,6 кмоль/м³, а соотноше­ние концентраций С_А0 : С_во = 1 : 1,5. Процесс проводится до ^Хв ⁼ 0,6 х_в,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 V_А0 = V_В0 = 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 С_А0 = 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 V_p1 . = V_p2 = 0,2 м³, V_p3 = 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 V_p1 . = V_p2 = 0,2 м³, V_p3 = 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 V_p3 = 0,05 м³. Объемы реакторов смешения V_p1 . = V_p2. Объемный расход вещества А составляет 100 л/мин с концентрацией 2,8 моль/л. Определить объемы реакторов V_p1 . и V_p2, 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 2007 г., поз. №18з

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.