Расчеты химических реакторов

1.3. Реакторы идеального смешения
периодического действия
Реактор идеального смешения периодического действия представляет собой аппарат, снабженный перемешивающим устройством. Загрузка реагентов и выгрузка продуктов осуществляется периодически. Материальный баланс реактора периодического действия в соответствии с уравнением 1:
(12);
(13);
(14).
После разделения переменных и интегрирования находим:
(15).
Уравнение 15 позволяет определить необходимое время пребывания реагентов в реакторе периодического действия для достижения заданной степени превращения. При постоянном реакционном объеме уравнение приобретает вид:
(16).
В случае, когда объем реакционной массы меняется уравнение 16 примет вид :
(17).
В тех случаях, когда в РИС-П проводится реакция, порядок которой отличается от 0 и 1, интегрирование уравнения становится затруднительным, поэтому расчет рабочего времени химической реакции производится методом графического интегрирования.
В то же время, если известно время реакции, объем РИС-П можно найти, используя уравнение:
(18),
где Gv- суточная производительность;
z- запас мощности (0,1- 0,25);
φ- коэффициент заполнения (0,6 - 0,85);
τ_п - полное время периодического процесса ( ) Это время складывается из времени реакции ( ) и вспомогательного времени ( ), которое идет на загрузку и на выгрузку, нагревание и охлаждение реактора периодического действия и другое.
Реакторы периодического действия просты по конструкции, требуют небольшого вспомогательного оборудования, поэтому они особенно удобны в малотоннажных производствах (фармацевтических, парфюмерных и др.). Рассмотрим некоторые примеры расчетов реакторов периодического действия.


Пример 8.
Определить, какое количество вещества А можно переработать в РИС – П за сутки при проведении реакции в постоянном объеме.
Дано:
реакция А → R;
порядок реакции n=1;
V_РИС-П = 10 м³;
время загрузки и выгрузки за одну операцию – 80мин;
коэффициент заполнения φ - 0,8;
начальная концентрация исходного вещества С_А,0= 20 кмоль/ м³;
константа скорости реакции k= 0,03 мин^-1;
степень превращения x_A = 0,9.
Решение.
Время химической реакции определяем по уравнению (16):

Определяем полное время проведения процесса.

Определяем количество циклов, которое можно осуществить за одни сутки.
.
Исходя из коэффициента заполнения реактора определяем полезный объем реактора.
.
Определяем количество вещества, которое можно переработать за один процесс:
.
Определяем количество вещества, которое можно переработать за одни сутки:
.
Задачи для самостоятельного решения

1. 
   Процесс описывается реакцией типа 2А → R+ С с константой скорости k = 0,03 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,9, исходная концентрация вещества А - 2 моль/л, Объем реактора смешения периодического действия – 10 м³. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию τ_в= 30 мин. Определить какое количество вещества А можно переработать за сутки.
   
2. 
   Процесс описывается реакцией типа А → 2R+ С с константой скорости k = 0,5 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А – 1,8 моль/л, Объемный расход реактора смешения периодического действия – 2 м³/мин. Коэффициент заполнения реактора 0,7. Полное время пребывания реагентов в реакторе реакции τ_п= 40 мин. Рассчитать необходимый объем реактора смешения периодического действия, степень превращения вещества А, селективность и выход целевого продукта R.
   
3. 
   Жидкофазная реакция типа А → 2R имеет константу скорости k = 3,8 ч^-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А – 0,8 моль/л, Объем реактора смешения периодического действия – 4 м³. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию τ_в= 20 мин. Определить суточную производительность по продукту R.
   
4. 
   Процесс описывается последовательной реакцией типа А→R с константой скорости k = 0,14 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 4 м³/ч. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 140 л. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 48 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.7. Определить концентрации всех веществ на выходе из реактора, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.
   
5. 
   Процесс описывается реакцией типа 2А→R с константой скорости k = 0,15 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А равен 40 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 200 л. Концентрация вещества А равна 2,2 моль/л. Коэффициент заполнения реактора 0,8. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 40 мин. Определить производительность реактора по продукту R за сутки, степень превращения вещества A и селективность по продукту R.
   
6. 
   Процесс описывается реакцией типа А + В → R c константой скорости k = 0,18 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 равна 1,2 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 25 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. Определить концентрацию вещества А на входе в реактор и степень превращения вещества A.
   
7. 
   Процесс описывается параллельной реакцией типа А + В → R+S с константами скоростей k₁= 0,18 л/(моль/мин) и k₂ = 0,14 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,7 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия объемом 100 л. Степень превращения вещества A составляет 0,9. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 10 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. Определить допустимый расход вещества А.
   
8. 
   Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,28 л/(моль/мин). Поток вещества поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 180 л. Степень превращения вещества A составляет 0,7. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 30 мин. Коэффициент заполнения реактора -0,76.Определить производительность реактора по продукту R за час.
   
9. 
   П роцесс описывается параллельной реакцией типа
   

с константами скоростей k₁= 0,15 л/(моль/мин) и k₂ = 0,11 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения периодического действия. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 25 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.8. 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 k = 0.48 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,3 моль/л и вещества В с концентрацией 2,2 моль/л равны 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 2,2 м³. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 40 мин. Коэффициент заполнения реактора - 0.65. Определить производительность реактора по продукту R за сутки.
    
11. 
    Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,39 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,3 моль/л и вещества В с концентрацией 1,7 моль/л равны 80 и 60 л/мин. Производительность реактора по продукту R составляет 8,64 кмоль/ч, концентрация продукта R на выходе - 0,8 моль/л. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 50 мин. Коэффициент заполнения реактора -0.7. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия.
    
12. 
    Процесс описывается реакцией типа 2А → R с константой скорости k = 0,44 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,9, исходная концентрация вещества А - 2,3 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 4,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия.
    
13. 
    Процесс описывается реакцией типа А → 2R с константой скорости k = 0,24 мин^-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,7, исходная концентрация вещества А - 1,7 кмоль/м³, производительность реактора по продукту R – 2,8 кмоль/ч. Время загрузки и выгрузки за одну операцию – 20 мин. Определить требуемый объем реактора смешения периодического действия и объемный расход исходной смеси..
    
14. 
    Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка типа 2А R с константами скоростей: прямой k₁ = 55,4 м³/(кмоль/ч) и обратной k₂ = 3,2 ч^-1 реакций. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,4 моль/л. Объем реактора смешения периодического действия равен 0,8 м³. Определить производительность реактора по продукту R за час.