Расчет реакторов идеального смешения

Периодического действия

Реактор непрерывного действия (изотермический режим)

Периодического действия

Рисунок 177 - Реакторы периодического действия.

В реакторе периодического действия все отдельные стадии процесса протекают последовательно, в разное время.

В простейшем случае реактор периодического действия состоит из сосуда с мешалкой, которая обеспечивает такое интенсивное перемешивание среды, при котором концентрация во всем объеме в любой момент времени одинакова. Теплообмен осуществляется через рубашку или змеевик.

Состав реакционной массы меняется со временем, а поэтому скорость реакции изменяется в течение процесса.

Как видно из рисунка 177 с течением времени концентрация реагента А уменьшается от начального значения до значения , соответствующего требуемой степени превращения. Так как на единицу объема реагирует - из общего количества молей, то глубина превращения может быть определена как

, (12.7)

Время пребывания реагента в реакторе можно найти следующим образом. Обозначим через - объем реакционной массы, - число молей реагента А.

Процесс протекает во времени. Тогда по материальному балансу для исходного компонента А найдем.

, (12.8)

где r - скорость реакции, с^-1.

Поскольку

, (12.9)

То с учетом выражения (12.9) уравнение материального баланса (2.8) заменяется

, (12.10)

или

, (12.11)

В общем случае для реакции любого n-ого порядка скорость реакции r с учетом выражения (12.7) можно представить

, (12.12)

И тогда уравнение (12.11) примет вид:

, (12.13)

Выражая через степень превращения получим

, (12.14)

Подставив найденное значение из (12.14) в (12.13) будем иметь

, (12.15)

Или после деления левой и правой части на С

, (12.16)

После интегрирования выражения (12.16) время пребывания реагентов в реакторе равно

, (12.17)

при получим

, (12.18)

при n=1

, (12.19)

Реактор непрерывного действия (изотермический режим)

Этот тип реактора по устройству аналогичен реактору периодического действия. Но в реакторе непрерывного действия все отдельные стадии процесса химического превращения вещества (подача реагирующих веществ, химическая реакция, выход готового продукта) осуществляется параллельно, одновременно, непрерывно. Вследствие этого точное время пребывания частиц в зоне реакции не определено: большинство частиц из-за перемешивания проходят сложный путь до выхода из реактора. Поэтому при расчете таких реакторов истинное время пребывания компонентов в зоне реакции заменяется средним временем пребывания частиц в реакторе. Поскольку исходные материалы непрерывно подаются, а продукты реакции

1,3 - теплообменник; 2 - реактор.

Рисунок 178 - Реактор непрерывного действия.

непрерывно отводятся, их концентрация будут постоянными в любой точке реакционного объема и в любой момент времени; также постоянной будет и скорость реакции во времени и объеме аппарата. Поэтому скорость реакции можно представить уравнением

, (12.20)

где - концентрация реагента на входе в реактор; - концентрация реагента А на выходе из реактора; - среднее время пребывания реагента в реакторе.

Величина равна отношению полезного объема реактора к объемному расходу V потока реагентов

, (12.21)

Объем реактора, который обеспечивает требуемое падение концентрации от до или соответствующую степень превращения, определяется из выражений (12.20) и (12.21)

, (12.22)

Для реакции любого порядка с учетом выражения (12.12) и равенства (12.7) полезный объем реактора будет

, (12.23)

Для реакции 1-ого порядка уравнение (12.23) принимает вид:

, (12.24)

где - степень превращения компонента А.

Время пребывания реагентов в реакторе найдем совместно решая уравнения (12.21) и (12.24), для реакции первого порядка

, (12.25)

для реакции n-го порядка

, (12.26)