8. 3. 7. РАСЧЕТ И ВЫБОР РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОСТЫХ РЕАКЦИЙ Основные показатели работы реактора: - Размер реактора; - Селективность по целевому продукту Простая необратимая реакция , Для простыхреакций селективность совпадаетс выходоми поэтому основным фактором является размер реактора, необходимый для достижения заданной степени превращения. РИВ РИС-П
При анализе реального химико-технологического процесса необходимо учитывать время на вспомогательные операции в РИС-П, т. е. в целом процесс в РИВ более эффективен, чем в РИС-П: Преимущества РИС-П: - Простота конструкции; - Низкие затраты на автоматизацию и вспомогательное оборудование; - Легкая управляемость процессом; - Простота перехода с производства одного вида продукции на другой. Недостатки РИС-П: - Большие затраты времени и труда на вспомогательные операции; - Трудность управления качеством целевой продукции. РИС-П применяются для производства малотоннажных продуктовили для полученияразличныхпродуктовна одноми том же оборудовании.
РИВ РИС-Н
Соотношение объемов реакторов РИС-Н и РИВ для прямой необратимой реакции n-го порядка: 0, 1 0 0, 5 1 1 0, 99 1 1, 05 1, 44 3, 91 21, 5 2 1, 11 2 10 100
0, 1 0, 5 0, 99 5 1, 26 2, 11 5, 31 25, 97 2 1, 15 1, 85 4, 93 24, 93 1 1, 104 1, 69 4, 62 23, 97 0 1, 05 1, 44 3, 91 -0, 5 1, 03 1, 25 3, 09 17, 87 -2/3 1, 02 1, 18 2, 63 15, 33 21, 5
ВЫВОДЫ: 1. Для всех реакций, порядок которых положителен, РИС-Н всегда больше РИВ, причем отношение объемов увеличивается пропорционально порядку реакции. Для реакций нулевого порядка размер реактора не зависит от характера течения жидкости через аппарат (типа реактора). 2. Соотношение объемов РИС-Н и РИВ приближается к единице по мере того, как степень превращения стремится к нулю и, наоборот, соотношение объемов быстро возрастает при увеличении степени превращения. 3. Влияние изменения плотности реакционной массы по мере её протекания через реактор (т. е. изменение объема реакционной смеси) мало по сравнению с влиянием характера движения жидкости. Увеличение объема реакционной массы (уменьшение её плотности) приводит к возрастанию соотношения объемов РИС-Н и РИВ, т. е. вызывает снижение эффективности РИС-Н в сравнении с РИВ. Уменьшение объема реакционной массы в ходе реакции приводит к обратному результату – повышению эффективности РИС-Н в сравнении с РИВ.
8. 3. 8. Каскады реакторов Каскад - несколько последовательно соединенных реакторов непрерывного действия (РИВ или РИС-Н). 8. 3. 8. 1. Каскад РИВ 1 i 2 m
– характеристическое уравнение любого (i-го) реактора каскада Общее время пребывания в каскаде: Следовательно, m реакторов идеального вытеснения, общим объемом VР, обеспечивают такую же степень превращения исходного вещества, как и один РИВ такого же объема.
8. 3. 8. 2. Каскад РИС-Н 1 2 i m
Условия идеальности каскада РИС-Н: 1. В каждой секции каскада – режим идеального смешения; 2. Отсутствие обратного влияния; 3. Постоянство объемов всех реакторов каскада (Vi = const) 1 2 3 4
АЛГЕБРАИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА КАСКАДА РИС-Н (Для прямой необратимой реакции 1 -го порядка: Материальный баланс 1 -ой ступени каскада: Материальный баланс 2 -ой ступени каскада:
Для любой (i -ой) ступени каскада: Время пребывания в любом (одиночном) реакторе каскада: Общее время пребывания в каскаде из “m” РИС-Н: Число реакторов в каскаде, необходимое для достижения заданной степени превращения:
ГРАФИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА КАСКАДА РИС-Н Из уравнения материального баланса РИС-Н: Т. к. для i –го реактора величины CAi-1 и τi – константы, то это уравнение прямой линии с углом наклона: С другой стороны согласно кинетическому уравнению:
В случае последовательного соединения РИС-Н с различными объемами графический метод также применим.
8. 3. Каскад реакторов различного типа 1 2 3 В этом случае расчет ведут аналитическим или графическим методом последовательно для каждой ступени каскада отдельно, в зависимости от числа и типа соединенных в каскад реакторов.
8. 3. 8. 4. Последовательно-параллельное соединение реакторов РИС-Н РИВ РИВ При анализе сложных технологических схем с последовательнопараллельным соединением аппаратов можно применять следующие правила для определения оптимальных характеристик таких схем: 1. Распределение потоков в параллельных ветвях схемы необходимо устанавливать таким, чтобы в точке слияния потоков концентрации веществ в них были одинаковыми. 2. Для реакций, которым соответствует выпуклая форма кривой зависимости скорости реакции от концентрации (n>1), процесс в цепочке последовательных реакторов нужно проводить так, чтобы концентрация основного реагента поддерживалась по возможности большой; если реакции отвечает кривая вогнутой формы, то концентрация основного реагента должна поддерживаться по возможности малой.
8. 3. 8. 5. Сравнение одиночного реактора и каскада реакторов Каскад РИВ Одинаковы Каскад РИС-Н Для прямой необратимой реакции 1 -го порядка: m 1 2 5 0, 1 1 1, 03 1, 04 1, 054 0, 5 1 1, 21 1, 35 1, 39 1, 44 0, 9 1 2, 08 3, 48 3, 86 0, 99 1 5, 50 13, 1 16, 93 21, 01 10 100
ВЫВОДЫ: 1. С увеличением числа реакторов в каскаде РИС-Н общий объем каскада, необходимый для достижения заданной степени превращения, уменьшается. Каскад из бесконечно большого количества РИС-Н → РИВ. 2. Чем больше степень превращения, тем больше разница в объемах каскада и единичного РИС-Н. VР РИВ РИС-Н m Каскад РИС-Н
8. 3. 9. РАСЧЕТ И ВЫБОР РЕАКТОРА ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ СЛОЖНЫХ РЕАКЦИЙ При расчете реакторов, в которых протекают сложные реакции, необходимо анализировать 2 фактора: размер реактора и выход (селективность) целевого продукта. Вследствие того, что эти 2 критерия являются, как правило, взаимоисключающими, расчет реактора ведется по одному из факторов в ущерб другому, причем определяющим в большинстве случаев является селективность. 8. 3. 9. 1. ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ B (целевой продукт) A D (побочный продукт) Уравнения скоростей для веществ А, B, Д:
8. 3. 9. 1. 1. Качественный анализ состава реакционной смеси 1) n>m → x=n-m>0 Для достижения высокой селективности необходимо поддерживать концентрацию исходного вещества на максимально высоком уровне. Это достигается: - Повышением концентрации исходного вещества в сырьевом потоке; - Выводом из реакционной зоны продуктов реакции и инертных веществ; - Повышением давления в реакционной зоне (для газофазных реакций); - Выбором реактора: РИВ → РИС-П → К-РИС-Н → РИС-Н.
2) n<m → x=n-m<0 Для достижения высокой селективности необходимо поддерживать концентрацию исходного вещества на возможно низком уровне. Это достигается: - Введением в реактор инертных растворителей; - Использованием рецикла; - Понижением давления в реакционной зоне (для газофазных реакций); - Выбором реактора: РИС-Н → К-РИС-Н → РИС-П → РИВ. 3) n=m → x=n-m=0 В этом случае селективность не зависит от концентрации исходного реагента и тип реактора не имеет значения. Селективность зависит также от температуры, причем характер этой зависимости определяется значением E 2 -E 1.
B Уравнения скоростей для веществ А, B, Д: A+R D Способы смешения реагирующих веществ: 1. Периодические и полупериодические реакторы Высокая концентрация обоих компонентов A R Низкая концентрация обоих компонентов A Инертный растворитель Высокая концентрация A, низкая концентрация R R R A
2. Проточные реакторы Высокая концентрация обоих компонентов A РИВ или К-РИС-Н Низкая концентрация обоих компонентов A РИС-Н Высокая концентрация A, низкая концентрация R РИВ или К-РИС-Н R A R R ВЫВОДЫ: 1. Для реакций, имеющих одинаковый порядок основной и побочной реакции, состав смеси и полученных продуктов не зависит от типа реактора и концентрации исходных реагентов при изотермическом режиме. 2. Для реакций с различными порядками повышение концентрации исходных реагентов способствует ускорению реакции более высокого порядка; проведение процесса при низких концентрациях исходных реагентов благоприятствует протеканию реакции более низкого порядка. 3. В случае неизотермического режима необходимо подбирать температурные условия процесса, если энергии активации обеих реакций различны или использовать катализатор, не одинаково влияющий на основную и побочную реакцию, т. е. обладающий избирательностью действия.
8. 3. 9. 1. 2. Количественный анализ состава реакционной смеси Дифференциальная селективность: С другой стороны: Интегральная селективность (VР=const): 1. РИВ:
2. РИС-Н: 3. Каскад РИС-Н: Селективность в одном i-ом реакторе каскада: Суммарная селективность в каскаде:
8. 3. 9. 2. ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЕ РЕАКЦИИ Уравнения скоростей для веществ А, B, Д: 8. 3. 9. 2. 1. Качественный анализ состава реакционной смеси D B Состав реакционной массы одинаков во всем объеме реактора в любой момент времени: РИВ или РИС-П A 0
D Исходное вещество постоянно смешивается с потоком продуктов реакции: РИС-Н A B 0 При заданной степени превращения исходного вещества A максимальное количество промежуточного продукта B образуется, если реакционная смесь однородна по составу в каждый момент времени, или если не происходит смешение реакционной массы с различной степенью превращения исходного вещества, как это происходит в РИВ или РИС-П. При других способах организации процесса промежуточный продукт получается с меньшим выходом и в пределе процесс можно проводить вообще без сколько-нибудь заметного образования этого продукта, например, в РИС-Н.
8. 3. 9. 2. 2. Количественный анализ состава реакционной смеси (для реакции 1 -го порядка) 1. РИВ и РИС-П: Интегрируем, после разделения переменных, уравнение (1): Подставляем значение СА в уравнение (2): Это линейное дифференциальное уравнение 1 -го порядка, решение которого:
Концентрацию СD можно определить, исходя их уравнения материального баланса: Максимальная концентрация промежуточного продукта B и время, необходимое для достижения этой концентрации, определяются исходя из условия: Kср – среднелогарифмическая константа скорости 2. РИС-Н: Материальный баланс по веществу A:
Материальный баланс по веществу B: = 0 Из уравнения материального баланса: Максимальная концентрация промежуточного продукта B и время, необходимое для достижения этой концентрации, определяются исходя из условия: 8. 3. 9. 3. СМЕШАННЫЕ (ПОСЛЕДОВАТЕЛЬН 0 -ПАРАЛЛЕЛЬНЫЕ) РЕАКЦИИ Исследование таких реакций и подбор реакторов для их проведения осуществляется на основе отдельного анализа последовательных и параллельных стадий.
