Расчеты химических реакторов

Пример 3.
Определить объем реактора смешения и достигаемую степень превращения вещества А при условии, что производительность (П) по продукту R составляет 4,8 кмоль/ч.
Д ано:
Реакция
объемный расход исходного вещества G_V = 100 л/мин.;
начальная концентрация исходного вещества С_А0= 1,6 моль/м³;
константа скорости прямой реакции k₁ = 0,28 л/(моль*мин.);
константа скорости обратной реакции k₂ = 0,12 л/(моль*мин.).
Решение.
По заданной производительности определяем концентрацию по продукту R. Для этого переведем производительность в моль/мин.

Скорость изменения концентрации продукта R в реакторе смешения можно выразить так:
или .
Из базового уравнения для РИС-Н получаем:
где ;
; следовательно,
.

Определяем степень превращения по уравнению:

.
Определяем время пребывания исходя из базового уравнения:

Определяем объем реактора:
.


Пример 4.
Рассчитать объем реактора смешения для получения максимального количества продукта R, а также определить селективность и производительность по продукту R.
Дано:
Реакция: А → R → S
объемный расход исходного вещества G_V = 18м³/ч;
начальная концентрация исходного вещества С_А0= 4,8 моль/л;
константа скорости прямой реакции k₁ = 5мин^-1 и k₂ = 1,8мин^-1.
Решение.
Для получения максимального количества продукта R необходимо выводить реакционную массу из реакционной зоны в момент, когда концентрация вещества R максимальна, что соответствует оптимальному времени пребывания в реакционной зоне.
Из базового уравнения для реактора смешения для продукта R запишем выражение:
, и при условии, что получаем выражения для определения концентрации продукта R на выходе из реактора:
.
Оптимальное время пребывания реакционной массы в зоне реакции определяем по формуле (см. таб.1).

Рассчитываем степень превращения вещества А по формуле (см. таб. 1.):
.
Определяем концентрацию R на выходе из реактора:
.
Определяем производительность по продукту R.

Рассчитываем объем реактора смешения:
.
Определяем селективность по продукту R:
.
Задачи для самостоятельного решения

1. 
   Жидкофазная реакция типа А → 2S имеет константу скорости, равную 4.5 ч^-1.Объемный расход исходного вещества с концентрацией 0.8 моль/л составляет 14,5 м³/ч. Рассчитать суточную производительность по продукту R для реактора идеального смешения объемом 3 м³.
   
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 смешения для максимального выхода целевого продукта R, степень превращения исходного реагента, селективность и выход по целевому продукту, если объемный расход составляет 2,4 м³/ч.
   
3. 
   Процесс описывается последовательной реакцией типа А→R→S с константами скоростей к₁=0,12 л/(моль/мин) и к₂ = 0,8 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 3,6 м³/ч. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л, а степень его превращения – 0,48. Определить концентрации веществ R и S на выходе из реактора и объем реактора смешения.
   
4. 
   Процесс описывается последовательной реакцией типа А→R→S с константами скоростей к₁= 0,24 л/(моль/мин) и к₂ = 0,18 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 3,6 м³/ч. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 240 л. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Определить концентрации всех веществ на выходе из реактора, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.
   
5. 
   Процесс описывается последовательной реакцией типа А→R→S с константами скоростей k₁= 0,18 л/(моль/мин) и k₂ = 0,06 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 40 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 260 л. Концентрация вещества А равно 2,4 моль/л. Определить производительность реактора по продукту R, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.
   

6. 
   П роцесс описывается параллельной реакцией типа
   

с константами скоростей k₁= 0,18 л/(моль/мин) и k₂ = 0,06 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 равно 1,2 моль/л. Определить концентрацию вещества А на входе в реактор и степень превращения вещества A.

7. 
   П роцесс описывается параллельной реакцией типа
   

с константами скоростей k₁= 0,28 л/(моль/мин) и k₂ = 0,12 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 200 л. Степень превращения вещества A составляет 0,8. Определить допустимый расход вещества А.

8. 
   П роцесс описывается параллельной реакцией типа
   

с константами скоростей k₁= 0,28 л/(моль/мин) и k₂ = 0,12 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 140 л. Степень превращения вещества A составляет 0,7. Определить производительность реактора по продукту R.

9. 
   П роцесс описывается параллельной реакцией типа
   

с константами скоростей k₁= 0,28 л/(моль/мин) и k₂ = 0,12 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения. 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 к = 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.
    
11. 
    Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости к = 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
    
12. 
    Процесс описывается реакцией типа 2А → R с константой скорости к = 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.
    
13. 
    Процесс описывается реакцией типа А → 2R с константой скорости к = 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.
    
14. 
    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.