Persamaan ciri reaktor kimia. Reaktor pencampuran ideal fig-p berkala

Reagen dimuatkan pada permulaan operasi. Dalam kes ini, proses itu terdiri daripada tiga peringkat: pemuatan bahan mentah, pemprosesannya (transformasi kimia) dan pemunggahan produk siap. Selepas menjalankan semua operasi ini, mereka diulang lagi. Tempoh satu kitaran yang dijalankan dalam reaktor kelompok ditentukan oleh persamaan

τ p \u003d τ + τ rev,

di mana τ p ialah jumlah masa kitaran;

τ ialah masa bekerja yang dibelanjakan untuk tindak balas kimia;

τ av - masa tambahan

Reaktor pencampur ideal berkala, disingkatkan sebagai RIS - P, ialah radas dengan pengacau, di mana reagen dimuatkan secara berkala. Dalam reaktor sedemikian, pencampuran yang sangat intensif dicipta, oleh itu, pada bila-bila masa, kepekatan reagen adalah sama sepanjang keseluruhan isipadu radas dan hanya berubah mengikut masa, apabila tindak balas kimia berlangsung. Pencampuran sedemikian boleh dianggap ideal, oleh itu nama reaktor.

Reaktor kelompok campuran yang sesuai

Perubahan dalam kepekatan reagen awal A dalam masa dan dalam isipadu dalam RIS - P

Di sini N A,0 ialah jumlah awal reagen awal A;

X A,0 ialah darjah awal penukaran reagen A;

C A,0 ialah kepekatan awal reagen A dalam campuran awal.

N A , C A , X A - sama pada akhir proses;

τ ialah masa;

y - koordinat ruang (koordinat lokasi).

Proses kimia berkala, mengikut sifatnya, sentiasa tidak pegun (iaitu, tidak mantap), kerana semasa tindak balas kimia, parameter proses berubah mengikut masa (contohnya, kepekatan bahan), sejak pengumpulan hasil tindak balas berlaku.

Untuk mengira reaktor, anda perlu mengetahui persamaannya, yang membolehkan anda menentukan masa kerja τ yang diperlukan untuk mencapai tahap penukaran X A, dengan kepekatan awal bahan C A,0 yang diketahui dan kinetik proses yang diketahui, iaitu, dengan kadar tindak balas kimia yang diketahui ω A.

Asas untuk mendapatkan persamaan reaktor dari sebarang jenis ialah keseimbangan bahan, yang disediakan untuk salah satu komponen campuran tindak balas.

Dalam kes umum, apabila kepekatan komponen tidak tetap pada titik reaktor yang berbeza atau tidak tetap dalam masa, keseimbangan bahan dibuat dalam bentuk pembezaan untuk isipadu asas reaktor. Dalam kes ini, mereka meneruskan dari persamaan pemindahan jisim perolakan, di mana istilah tambahan ω A diperkenalkan, dengan mengambil kira perjalanan tindak balas kimia.

di mana C A ialah kepekatan reagen dalam campuran tindak balas;

x, y, z ialah koordinat spatial;

D ialah pekali resapan molekul dan perolakan;

ω A ialah kadar tindak balas kimia.

Berdasarkan fakta bahawa dalam RIS - P, disebabkan oleh pencampuran intensif, semua parameter adalah sama dalam keseluruhan isipadu reaktor pada bila-bila masa. Dalam kes ini, terbitan sebarang susunan kepekatan sepanjang paksi x, y, z adalah sama dengan 0, maka

Jadi persamaan boleh ditulis

Jika tindak balas berterusan tanpa perubahan isipadu, maka kepekatan semasa bahan permulaan akan dinyatakan sebagai

C A \u003d C A,0 (1 - X A)

atau

di mana tanda “-” menunjukkan penurunan bahan A.

Mengintegrasikan ungkapan ini dalam perubahan masa daripada 0 kepada τ dan tahap transformasi daripada 0 kepada X, kita memperoleh persamaan RIS - P

RIS-P ialah radas dengan pengacau, di mana reagen dimasukkan secara berterusan dan produk juga dikeluarkan secara berterusan daripadanya.

Dalam reaktor sedemikian, pencampuran intensif dicipta, oleh itu, kepekatan reagen yang sama diwujudkan serta-merta di seluruh reaktor, sama dengan kepekatan di alur keluar. Perubahan kepekatan yang mendadak (seperti lompatan) berlaku disebabkan oleh pencampuran serta-merta reagen yang masuk dengan jisim tindak balas yang sudah ada di dalam reaktor.

Perbezaan antara kepekatan awal dan akhir bergantung, perkara lain adalah sama, pada kadar tindak balas kimia dan pada masa tinggal campuran tindak balas dalam reaktor. Semakin tinggi kelajuan dan semakin lama masa, semakin besar lompatan dalam kepekatan.

RIS-N dicirikan oleh ketiadaan kecerunan parameter kedua-dua dalam masa dan dalam isipadu reaktor, oleh itu, untuk memperoleh persamaan ciri, persamaan imbangan bahan dalam bentuk umum digunakan.

N A terkumpul = N A cembung. - N A chem.r.

Dalam mod pegun N A terkumpul. = 0.

N A \u003d N A pendapatan - N A sink

N A ketibaan \u003d N A0 \u003d C A0 v vol. , di mana v jld. ialah kadar aliran isipadu reagen.

N A longkang \u003d N A0 (1-α A) \u003d C A0 v vol. (1-α A)

N A = C A0 v jld. - C A0 v jld. (1-α A) \u003d C A0 v jld. α A.

N A kimia. =(-r A) V p , dengan V p ialah isipadu reaktor.

C A0 v jld. α A \u003d \u003d (-r A) V p, V p \u003d v kira-kira τ

C A0 v jld. α A \u003d (-r A) v kira-kira τ

C A0 α A \u003d (-r A) τ

Persamaan ciri untuk FIG.

Untuk tindak balas tak boleh balik yang mudah bagi susunan "n".

Untuk n = 0 , untuk n = 1 .

Perbandingan RIS dan RIV

Persamaan ciri untuk RIS-P dan RIV-N adalah sama, dan masa untuk mencapai tahap penukaran reagen dalam reaktor ini adalah sama. Tetapi dalam FIG-P, jumlah masa proses ialah jumlah masa kerja, dikira mengikut persamaan ciri, dan masa tambahan untuk memuat dan memunggah. Tiada operasi tambahan dalam RIV-N, oleh itu keamatan RIV-N lebih tinggi daripada RIS-P.

Dalam RIS-N, tiada operasi tambahan sama ada, tetapi keadaan hidrodinamik di dalamnya berbeza daripada situasi di RIV-N, oleh itu, untuk mencapai tahap penukaran reagen yang sama, perkara lain adalah sama, lebih banyak masa diperlukan daripada dalam kes RIV-N.

Mari kita bandingkan rejim kepekatan dalam RIS-N dan RIV-N. Dalam RIV-N, penurunan beransur-ansur dalam kepekatan reagen sepanjang panjang reaktor diperhatikan, dan dalam RIS-N, penurunan mendadak dalam kepekatan kepada nilai akhir diperhatikan.

Perubahan dalam kadar tindak balas mempunyai ciri yang sama untuk reaktor ini. Oleh itu, kadar tindak balas purata dalam RIS-N sentiasa lebih rendah daripada RIV.

Mari kita bandingkan persamaan ciri reaktor dalam kes tindak balas tertib yang berbeza.

Pada n = 0, persamaan ciri RIS-N dan RIV-N mempunyai bentuk . Oleh itu, masa yang diperlukan untuk mencapai penukaran bahan tindak balas yang diberikan adalah sama; jenis reaktor dalam kes ini tidak menjejaskan keamatan proses. Ini disebabkan oleh fakta bahawa pada n = 0 kadar tindak balas tidak bergantung kepada kepekatan reagen.

Untuk n > 0, jenis reaktor akan mempunyai pengaruh yang kuat terhadap keamatan proses.

> , iaitu .

Ketaksamaan adalah lebih besar, lebih besar penukaran reagen.

Untuk proses yang kompleks, kecekapan dinilai bukan sahaja oleh saiz reaktor, tetapi juga oleh jumlah selektiviti. Bagi proses yang selektivitinya bergantung pada kepekatan bahan tindak balas (tertib tindak balas sasaran ≠ susunan tindak balas sampingan), selektiviti boleh dipengaruhi dengan memilih jenis reaktor yang betul. Sebagai contoh, untuk proses selari kompleks di mana susunan tindak balas sasaran lebih tinggi daripada susunan tindak balas sampingan, adalah perlu untuk mengekalkan kepekatan reagen yang tinggi untuk memastikan selektiviti yang tinggi. Dalam kes ini, lebih baik memilih RIV-N. Jika susunan tindak balas sasaran kurang daripada susunan tindak balas sampingan, kepekatan reagen mesti dikekalkan rendah, jadi RIS-H lebih disukai.

Hasil produk sasaran juga bergantung kepada jenis reaktor. Untuk proses tak boleh balik selari kompleks, hasil boleh dikaitkan dengan selektiviti melalui hubungan berikut:

GAMBAR-Nβ = S α A ; RIV-N .

Sebagai α A

S berkurang jika n ialah integer. > n sisi-r. ; S bertambah jika n ialah integer.< n побоч.р. .

β RIV -N > β RIS -N β RIS -N > β RIV -N

Kuliah Bil 13

Lata reaktor campuran ideal berterusan

Dalam satu RIS-H, tahap penukaran yang tinggi tidak dapat dicapai, kerana kepekatan regent awal serta-merta menurun, dan keseluruhan proses berjalan pada kelajuan rendah. Walau bagaimanapun, apabila menjalankan tindak balas di mana dua atau lebih reagen mengambil bahagian, pencampuran peserta dalam tindak balas adalah syarat yang diperlukan untuk pelaksanaannya. Dalam kes ini, seseorang boleh menggunakan reaktor yang menerangkan selular model atau model K-RIS-N. Lata terdiri daripada beberapa reaktor aliran bercampur sempurna yang disambung secara bersiri.

Kepekatan reagen awal dalam sistem sedemikian tidak menurun kepada nilai akhir serta-merta, tetapi secara beransur-ansur dari reaktor ke reaktor. Dalam setiap reaktor, kepekatan reagen dalam isipadu adalah malar dan sama dengan kepekatannya di alur keluar reaktor; perubahan kepekatan berlaku secara mendadak. Walau bagaimanapun, kepekatan operasi dalam lata dikekalkan lebih tinggi daripada dalam satu RIS-N, dan apabila bilangan reaktor meningkat, ia menghampiri kepekatan dalam RIM. Pada n= 8 - 10, K-RIS-N ≡ RIV-N.

Pengiraan K-RIS-N dikurangkan kepada pengiraan bilangan langkah "n" yang diperlukan untuk mencapai tahap penukaran reagen tertentu. Terdapat kaedah grafik dan analisis untuk mengira lata reaktor.

Kaedah pengiraan grafik K-RIS-N

Biarkan tindak balas mudah tak boleh balik bagi susunan n A berlaku dalam lata reaktor. Kadar tindak balas ini boleh diterangkan dengan persamaan ; pergantungan –r A = f (C A) ialah lengkung.

Mari kita dapatkan pergantungan –r A = f (C A) untuk reaktor lata tunggal.

RIS-N mempunyai persamaan ciri bentuk .

C A \u003d C A0 (1-α A) C A \u003d C A0 - C A0 α A C A0 α A \u003d C A0 - C A

Oleh itu, pergantungan kadar pada kepekatan bagi setiap reaktor dalam lata adalah garis lurus dengan sudut cerun, tangennya bersamaan dengan –1/τ.

Titik persilangan lengkung dan garis mencirikan kepekatan reagen dalam reaktor.

Untuk pengiraan grafik K-RIS-N adalah perlu:

o lukis lengkung ;

o lukis garis lurus dari titik C A0 dengan tangen sudut kecondongan –1/τ 1 , dengan τ 1 ialah masa tinggal reagen dalam reaktor pertama (set);

o dari titik persilangan lengkung dan garis lurus, turunkan serenjang dengan paksi-x. Nilai C A1 yang terhasil ialah kepekatan reagen di alur keluar reaktor pertama dan di salur masuk ke reaktor kedua;

o untuk mencari kepekatan reagen pada alur keluar reaktor kedua, ulangi operasi;

o ulangi operasi sehingga kepekatan akhir reagen C A akhir dicapai. , sepadan dengan penukaran reagen yang diberikan.

Bilangan operasi berulang untuk membina garis lurus adalah sama dengan bilangan reaktor dalam lata.

Selalunya, masa tinggal reagen dalam reaktor individu lata diandaikan sama, iaitu, garis lurus selari dibina dengan tangen cerun yang sama. Tetapi kaedah grafik juga boleh digunakan untuk nilai τ yang berbeza, iaitu, untuk jumlah reaktor individu yang berbeza dalam lata.

Kaedah pengiraan analitik K-RIS-N

Kemungkinan kaedah analisis dihadkan oleh kerumitan persamaan yang terhasil, jadi ia digunakan dalam kes yang paling mudah.

Biarkan tindak balas tertib pertama yang mudah tidak boleh balik berlaku dalam lata reaktor.

Persamaan Ciri Jenis Ideal Reaktor Isoterma

daripada "Reaktor dalam industri kimia"

Unsur teknologi utama tumbuhan untuk menjalankan proses kimia ialah radas di mana tindak balas kimia berlaku. Reaktor kimia dianggap sebagai peranti di mana proses kimia dijalankan untuk mendapatkan bahan tertentu dalam rangka satu proses teknologi.
Dalam erti kata yang luas, banyak alat lain untuk menjalankan tindak balas kimia boleh dikaitkan dengan reaktor kimia, yang, bagaimanapun, digunakan bukan untuk mendapatkan bahan tertentu, tetapi untuk beberapa tujuan lain (contohnya, pelbagai jenis pembakar, enjin pembakaran dalaman). , enjin jet, bateri elektrik, akumulator, dsb.). Dalam semua peranti sedemikian, perkara utama bukanlah produk yang diperoleh hasil daripada tindak balas kimia, tetapi kesan haba atau elektrik, kerja mekanikal, dll.
Memandangkan banyak reaktor yang kini digunakan dalam industri kimia, kita boleh membuat kesimpulan berikut.
Selalunya, reaktor kimia dikelaskan mengikut kriteria berikut: kesinambungan operasi, keadaan terma, mod pergerakan medium tindak balas, dan keadaan fasa reagen.
Kesinambungan operasi. Terdapat reaktor kelompok, selanjar dan separa batch (separuh berterusan).
Dalam reaktor kelompok, reagen dimuatkan secara serentak pada permulaan operasi. Selepas masa tertentu yang diperlukan untuk mencapai tahap penukaran tertentu, produk tindak balas dipunggah. Parameter utama proses kimia (komposisi, suhu atau tekanan) berubah mengikut masa. Tempoh tindak balas boleh diukur secara langsung, contohnya, dengan kronometer.
Reaktor separuh kelompok dicirikan oleh fakta bahawa salah satu reagen suapan dibekalkan secara berterusan, dan yang lain secara berkala. Walau bagaimanapun, pilihan lain juga mungkin. Sebagai contoh, bahan tindak balas dihidangkan ke dalam reaktor secara berselang-seli, manakala hasil tindak balas dikeluarkan secara berterusan. Reaktor sedemikian beroperasi dalam mod sementara, parameter proses utama berubah mengikut masa.
Rejim terma. Menurut rejim terma, reaktor dibahagikan kepada isoterma dan adiabatik.
Reaktor adiabatik tidak mempunyai pertukaran haba dengan persekitaran. Reka bentuk reaktor ini adalah mudah, kerana ia mencukupi untuk mempunyai penebat haba yang baik untuk melaksanakan rejim adiabatik.
Cara pergerakan medium tindak balas. Pada rajah. 1-4 menunjukkan dua jenis reaktor selanjar. Dalam reaktor pertama, unsur isipadu bergerak tanpa bercampur dengan unsur isipadu sebelumnya atau seterusnya. Komposisi unsur isipadu akan berubah secara berurutan sepanjang panjang reaktor disebabkan oleh tindak balas kimia. Reaktor tidak mempunyai sebarang ciri reka bentuk mekanikal untuk pencampuran dan dicirikan oleh nisbah yang besar antara panjang dan diameter. Apabila bergerak melalui reaktor, unsur isipadu berkemungkinan berkelakuan dengan cara yang sama seperti omboh dalam silinder, menyesarkan segala-galanya di hadapannya, oleh itu radas tindak balas sedemikian dipanggil reaktor anjakan penuh (reaktor anjakan ideal).
Reaktor anjakan penuh dan reaktor kacau sepenuhnya adalah jenis radas tindak balas yang ideal.
Dalam amalan, reaktor jenis campuran adalah lebih biasa, di mana tidak ada anjakan lengkap atau pencampuran lengkap.
Pada rajah. 1-5 menunjukkan perubahan dalam kepekatan reagen dalam reaktor jenis utama.
Keadaan fasa reagen. Jika semasa tindak balas kimia terdapat satu fasa dalam reaktor, maka reaktor sedemikian dipanggil homogen. Reaktor homogen diisi dengan reagen yang sama ada hanya dalam keadaan gas atau hanya dalam keadaan cair.
Jika bahan-bahan dalam reaktor berada dalam keadaan pengagregatan yang berbeza, maka reaktor sedemikian dipanggil heterogen. Terdapat banyak jenis reaktor heterogen kerana terdapat gabungan tiga keadaan gas pengagregatan, cecair dan pepejal.
Sebagai tambahan kepada klasifikasi di atas, terdapat yang lain, sebagai contoh, berdasarkan perbezaan dalam bentuk struktur reaktor.
Kriteria di atas digunakan dalam penyediaan jadual. 1, yang mensistematisasikan jenis reaktor industri, serta beberapa contoh khusus.
Imbangan bahan untuk salah satu reagen untuk ruang tindak balas terhad atau sebahagian daripadanya ialah persamaan umum reaktor kimia.
Persamaan (1.3) juga boleh ditulis menggunakan unit molar dan bukannya unit jisim.
Ungkapan di sebelah kiri persamaan (1.3) ialah kadar pengumpulan reagen A dalam reaktor. Ia sama dengan sifar dalam keadaan mantap dan mempunyai nilai terhingga dalam mod sementara.

Topik 6. REAKTOR KIMIA

Moden reaktor kimia -

2) penukar haba;

3) peranti pencampuran,

2. Hasil produk yang tinggi F φ- R, x.

prestasi (bahan mentah) dan tinggi tahap penukaran X A(reagen):

dalam skim dengan gelung terbuka keutamaan diberikan kepada yang tinggi darjah penukaran X A reagen;

dalam sistem tertutup keutamaan diberikan kepada yang tinggi prestasi.

Faktor yang mempengaruhi reka bentuk rektor

1. Sifat fizikal dan keadaan pengagregatan reagen dan produk.

2. Keamatan pencampuran yang diperlukan.

3 . Kesan haba XP dan keamatan pemindahan haba yang diperlukan.

4 . Suhu dan tekanan adalah parameter proses.

5. Keagresifan, ketoksikan jisim tindak balas.

6 . Bahaya letupan dan kebakaran pengeluaran.

Bagi industri, tugas penting ialah mendapatkan sejumlah produk untuk tempoh masa tertentu, i.e. adalah perlu untuk mengira masa tinggal bahan tindak balas dalam reaktor untuk mencapai tahap penukaran tertentu. Untuk melakukan ini, model kinetik tindak balas ini mesti diketahui. Untuk pengiraan anggaran masa kediaman, pemodelan matematik digunakan.

Model matematik ialah sistem persamaan yang mengaitkan parameter proses tertentu dengan yang paling penting.

Model fizikal ialah lukisan, sampel yang memaparkan aspek paling penting bagi sesuatu objek.

Untuk mendapatkan kebergantungan yang lebih mudah dalam pemodelan matematik, beberapa parameter diabaikan.

Pertimbangkan reaktor kimia yang beroperasi dalam mod isoterma. Oleh kerana dalam reaktor sedemikian tiada daya penggerak pemindahan haba di dalam isipadunya (∆Т = 0), persamaan imbangan haba pada mulanya boleh dikecualikan daripada model matematik reaktor dan ia (model matematik) dikurangkan kepada persamaan imbangan bahan. , yang mengambil kira tindak balas kimia, pemindahan jisim dan pemindahan impuls. Untuk memudahkan lagi model matematik, ia boleh dibahagikan kepada kumpulan bebas REAKTOR DENGAN STRUKTUR ALIRAN YANG IDEAL pencampuran yang sempurna Dan anjakan yang sempurna . Andaian tentang struktur aliran ideal memungkinkan untuk mengecualikan beberapa pengendali daripada persamaan imbangan bahan am dan dengan itu memudahkan pengiraan berdasarkan persamaan ini dengan ketara.

MODEL REAKTOR IDEAL

Masa tinggal reagen di RIS dan RPS

Mari kembangkan kurungan:

←Persamaan ciri GAMBAR-N.

Persamaan membenarkan (jika kinetik proses diketahui) mengira masa yang diperlukan untuk mencapai tahap penukaran yang diperlukan.

Untuk reaksi P -perintah ke- :

dari sini ,

di mana P - susunan tindak balas.

Pada n=0:

Pada n=1:

Bergantung pada tahap penukaran X A dan tidak bergantung pada kepekatan awal

Pada n=2:

Mengikut model RIS, perkara berikut dikira:

1) reaktor dengan pengacau dengan kelikatan tidak terlalu tinggi η medium dan isipadu tidak terlalu besar υ reaktor;

2) peranti peredaran-aliran - dengan kadar peredaran yang tinggi;

3 ) reaktor dengan "katil cecair" 1 .

P. Reaktor Boleh Pasang (PRE)

Dalam RIS, semua parameter volum adalah malar.

Semua ciri (tumpuan Dengan , darjah penukaran X A, suhu T dan lain-lain) berubah dengan lancar mengikut isipadu reaktor, oleh itu, adalah mustahil untuk membuat keseimbangan bahan untuk keseluruhan isipadu reaktor.

nasi. 2. Graf kebergantungan:

A) C A \u003d f (τ atau H)b) w= f (τ atau H) V) X A \u003d f (τ atau H)

- kelajuan proses per unit isipadu

Isipadu tak terhingga kecil reaktor dV dipilih dan keseimbangan bahan dibuat untuknya. Kemudian jalankan penyepaduan isipadu tak terhingga ini ke atas keseluruhan isipadu reaktor.

Biarkan tindak balas tak boleh balik yang mudah diteruskan dalam reaktor tanpa mengubah isipadu υ:

di mana, C A - kepekatan awal dan semasa masing-masing;

υ - aliran isipadu

di mana V- isipadu reaktor (m 3);

dV ialah isipadu asas reaktor (m 3).

Mari kita ringkaskan:

(Akan datang)

- Persamaan matematik. seimbang

isipadu asas RIV-N

Untuk mendapatkan tikar persamaan. keseimbangan keseluruhan reaktor, kami menyepadukan persamaan yang terhasil selepas pemisahan pembolehubah (di atas isipadu keseluruhan reaktor):

- Persamaan ciri RIV-N.

di mana w A cari, mengetahui kinetik proses.

Persamaan ciri RIV-N membenarkan, mengetahui kinetik proses

(untuk mencari w A), tentukan masaτ tinggal reagen dalam reaktor, perkadaran mencapai yang ditentukan darjah penukaran X A, dan kemudian - dan dimensi reaktor.

Untuk reaksi ke-n pesanan :

di mana P - susunan tindak balas.

Pada n=0:

Pada n=1:

Bergantung hanya pada tahap penukaran X A dan tidak bergantung pada kepekatan awal;

Pada n=2:

Di sesetengah pengeluaran reaktor darjah penukaran X A adalah sangat kecil sehingga model itu boleh digunakan untuk pengiraan RIV- Ini peranti sentuhan tiub dengan mangkin dalam paip atau anulus ("cangkang-dan-tiub"), berfungsi untuk tindak balas fasa gas heterogen.

Model anjakan juga digunakan dalam reka bentuk reaktor tiub fasa cecair dengan nisbah panjang paip yang besar kepada diameternya.

Di bawah keadaan yang sama untuk menjalankan tindak balas yang sama, untuk mencapai tahap penukaran yang sama, purata masa tinggal bahan tindak balas dalam reaktor aliran bercampur sempurna adalah lebih lama daripada dalam reaktor aliran palam. Dalam RIS, kepekatan pada semua titik adalah sama dengan kepekatan akhir, dan dalam RIV pada 2 titik jiran, kepekatan reagen berbeza. Kadar tindak balas, menurut ZDM, adalah berkadar dengan kepekatan reagen. Oleh itu, dalam RIV ia sentiasa lebih tinggi daripada dalam FIG. Itu. kurang masa tinggal diperlukan untuk mencapai kedalaman penukaran yang sama.

III. Lata Reaktor (RIS)

Jika, mengikut syarat proses, ia adalah reka bentuk RIS yang diperlukan, maka reaktor volum besar diperlukan untuk mencapai tahap penukaran yang tinggi dalam tempoh masa yang singkat.

Dalam kes ini, adalah lebih sesuai untuk memasang beberapa reaktor bersambung siri (bahagian) - lata reaktor . Campuran tindak balas melalui semua bahagian. Adalah mungkin untuk mempertimbangkan sebagai contoh model sedemikian bukan sahaja sistem radas berasingan yang terletak berturut-turut, tetapi juga reaktor aliran, satu cara atau yang lain dibahagikan di dalam ke dalam bahagian, di mana setiap satunya campuran tindak balas dikacau.

Sebagai contoh, lajur gelembung dulang berdekatan dengan radas jenis ini.

Daya penggerak ∆С:

ΔС RIS< ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

Dalam RIS-H tunggal, kepekatan reagen utama A berubah secara tiba-tiba kepada C A (akhir), yang menunjukkan bahawa kadar tindak balas dalam RIS-H menurun dengan ketara. Oleh kerana jumlah kecil setiap reaktor dalam lata, perubahan langkah kepekatan adalah lebih kurang daripada dalam satu volum besar RIS-H, jadi kelajuan proses dalam setiap peringkat lata adalah lebih tinggi.

Lata reaktor RIS-N, oleh itu, menghampiri RIV-N (reaktor RIV ternyata lebih menguntungkan daripada RIS, kerana tenaga penggerak di dalamnya, sama dengan (kecerunan kepekatan) ΔС = С sama - С bekerja, lebih daripada dalam FIG).

Daya penggerak purata ΔС RIS<ΔС Каскад РИС < ΔС РИВ

Apabila tindak balas kimia berlaku, kelajuan tertinggi proses dicapai dalam RIV-N kerana daya penggerak proses yang lebih tinggi. RIV-N mempunyai prestasi tertinggi. Prestasi lata RIS-N adalah kurang daripada prestasi RIV-N, tetapi lebih daripada prestasi RIS-N tunggal. Lebih banyak bilangan reaktor dalam lata, lebih kecil lompatan dalam kepekatan, lebih besar daya penggerak proses, lebih besar kelajuan proses dan, dengan itu, lebih tinggi produktivitinya.

Pengiraan bilangan peringkat lata

Pengiraan lata reaktor bercampur ideal biasanya datang untuk menentukan bilangan bahagian volum tertentu yang diperlukan untuk mencapai kedalaman penukaran tertentu.

Membezakan analitikal Dan kaedah berangka pengiraan lata. Penggunaan kaedah analisis adalah mungkin jika persamaan keseimbangan bahan boleh diselesaikan secara analitikal berkenaan dengan kepekatan dengan i. Ini boleh dilakukan, sebagai contoh, jika tindak balas yang berterusan diterangkan oleh persamaan kinetik tertib pertama atau kedua.

Untuk mengira bilangan peringkat lata yang diperlukan untuk mencapai tahap penukaran reagen yang diperlukan, 2 kaedah digunakan:

1) algebra;

2) grafik.

Contoh

Diberi tindak balas tertib kedua

2A→R, atau 2A→ R+ S,

persamaan kinetik w A = 2.5 (k = 2.5), penukaran akhir X A \u003d 0.8, . . Tentukan berapa lama masa yang diambil untuk tindak balas berlaku dalam:

A) RIV-N;

b) RIS-N;

c) lata RIS-N, di mana semua bahagian lata mempunyai isipadu yang sama

(V 1 = V 2 =... = Vn), dipilih sedemikian rupa sehingga purata masa yang dihabiskan dalam setiap daripadanya adalah sama dengan .

nasi. 4 - Pergantungan kadar tindak balas pada kepekatan hari untuk mengira bilangan bahagian lata reaktor bercampur ideal.

Daripada rajah 4 kita melihat bahawa empat bahagian diperlukan untuk mencapai tahap penukaran yang ditunjukkan. Rupa-rupa nya, chiu di pintu keluar dari bahagian ke-4 tahap penukaran adalah lebih tinggi daripada yang ditentukan oleh syarat, tetapi dalam tiga bahagian tahap transformasi tidak dicapai).

Oleh itu, jumlah purata masa tinggal reagen dalam lata reaktor bercampur ideal ialah

Untuk pengiraan lata RIS-N kaedah analisis mengarang

untuk setiap peringkat lata, persamaan imbangan bahan:

IV. Reaktor kelompok (RPD)

DALAM RPD sejumlah reagen tertentu dimuatkan pada satu masa, yang berada di dalamnya sehingga mereka sehingga tahap penukaran yang dikehendaki dicapai. Selepas itu, reaktor dipunggah.

Pengagihan kepekatan S A reagen pada sebarang tahap pencampuran reagen sama dengan RIV:

Namun begitu prestasi RIVE di atas:

diberi tahap penukaranX A VRTI dicapai dalam masa kurang τ:

dinyatakan dalam RPD tahap penukaranX A dicapai dalam masa

τ kimia. tindak balas + τ operasi tambahan (Memuat dan memunggah) untuk ini, prestasi RPD adalah lebih rendah:

Sejak τ RIV< τ РПД =>P RIV > P RPD, jadi biasanya:

Untuk tona kecil penggunaan industri (cth. farmaseutikal). RPD;

Untuk berkapasiti besar - memberikan prestasi yang maksimum RIV-N.

Politerma

Reaktor yang dicirikan oleh penyingkiran haba tindak balas separa atau input haba dari luar mengikut program yang diberikan untuk menukar suhu T° sepanjang ketinggian reaktor ("perisian dikawal reaktor).

Contoh: Reaktor pencampuran NASI- tindakan berkala.

Apabila mengkaji dan mengukur proses dalam reaktor, untuk mendapatkan formula pengiraan untuk rejim suhu, seseorang menggunakan imbangan haba.

Imbangan terma berdasarkan undang-undang pemuliharaan tenaga E:

Input haba dalam tindak balas pengeluaran tertentu mestilah sama dengan penggunaannya dalam operasi yang sama: Q adj. =Q kontra.

Imbangan haba disusun mengikut keseimbangan bahan proses dan kesan haba tindak balas kimia, serta transformasi fizikal yang berlaku dalam reaktor, dengan mengambil kira input haba dari luar, serta penyingkiran haba dengan produk tindak balas dan melalui dinding reaktor.

I. Reaktor adiabatik (lebih kerap RIV)

Mengikut model ideal, tiada pertukaran haba dengan persekitaran dalam reaktor adiabatik. Dalam keadaan sebenar, penghampiran kepada ketiadaan pemindahan haba dicapai kerana penebat dinding reaktor yang baik dari persekitaran (dinding berganda, bahan penebat)

Perubahan suhu T 0 dalam reaktor adiabatik ΔT° = T° con. - T° mohon. secara berkadar

- tahap penukaran reagen X A

- penumpuan reagen utama ,

- kesan haba Q r tindak balas

dan berkadar songsang

- kapasiti haba purata campuran tindak balas.

Untuk eksotermik tindak balas ΔH< 0 ΔT° = T° кон. - T° нач > O (tanda +)

Untuk endotermik tindak balas ΔH > 0 ΔT° = T° con. - T° mula< О (знак-)

Permohonan

Menurut model reaktor adiabatik RIV, hubungi peranti dengan katil penapis pemangkin.

Model ini juga boleh digunakan untuk pengiraan reaktor kebuk untuk tindak balas homogen, untuk penyerap aliran langsung dengan lapisan penebat (lapisan), di mana gas bergerak ke arah cecair yang disembur.

Adiabatik RIV-N sesuai untuk menjalankan tindak balas eksotermik. Jika haba tidak dibekalkan dari luar, maka proses itu diteruskan dalam mod autoterma (disebabkan oleh haba tindak balas kimia itu sendiri).

Dalam mod adiabatik, tindak balas endotermik juga dijalankan, tetapi dalam kes ini, jisim tindak balas diberi makan bersama dengan stim.

II. Reaktor isoterma

Analisis persamaan adiabatik

ΔT° = T° con. - T° mula =

menunjukkan bahawa kepada reaktor isoterma

reaktor mungkin menghampiri kecil nilai:

Q x.r. - kesan terma tertentu (setiap unit bahan);

- - kepekatan awal reagen;

- X A- tahap transformasi

di besar nilai

- - kekonduksian terma campuran tindak balas.

Permohonan

Secara praktikalnya reaktor isoterma:

Untuk memproses pekat rendah(↓ C A) gas ( → 0), Dan

Reaktor di mana exo- Dan endo kesan haba secara praktikal

adalah seimbang (q х.р →0). Itu. rejim isoterma diperhatikan apabila kesan terma proses utama dikompensasikan dengan magnitud yang sama, tetapi bertentangan dalam tanda, kesan haba tindak balas sampingan, atau proses fizikal (penyejatan, pembubaran)

Apabila membuat model untuk isoterma sepenuhnya reaktor ialah reaktor cecair

- (F - F) - emulsi

- (W - T) - penggantungan

Dengan mekanikal, pneumatik dan peredaran jet peranti pencampuran.

Rejim isoterma diperhatikan di rak berbuih Dan radas menggelegak tidak besar, dalam beberapa peranti hubungan dengan pemangkin tetap.

Rejim boleh hampir dengan isoterma penjerapan Dan penyerapan Radas di mana haba yang dihasilkan oleh penjerapan atau penyerapan digunakan untuk menyejat air atau pelarut lain.

Rejim isoterma boleh dicapai dengan cara penukar haba membekalkan atau mengeluarkan haba daripada reaktor. Penyingkiran haba untuk tindak balas eksotermik adalah berkadar dengan berapa banyak yang mesti dibebaskan. Pendekatan untuk endo adalah untuk diserap.

CONTOH

Mod politerma diperhatikan dalam reaktor di mana kesan haba Q x . p . tindak balas kimia utama hanya dikompensasikan sebahagiannya oleh kesan haba tindak balas sampingan atau proses fizikal yang bertentangan dalam tanda dengan proses utama.

Reaktor ini termasuk banyak aci dan relau letupan.

Cara-cara melaksanakannya

Suhu optimum - ini ialah rejim suhu yang menyediakan produktiviti maksimum P yang boleh dilaksanakan secara ekonomi untuk produk sasaran (pada kelajuan MAX yang mungkin wr proses), sementara ia adalah perlu untuk mencapai penukaran yang tinggi - untuk tindak balas mudah dan selektiviti tinggi - untuk tindak balas yang kompleks.

Penyelesaian masalah praktikal menjalankan proses dalam reaktor industri mengikut rejim suhu optimum bergantung kepada banyak faktor, terutamanya pada kesan haba dan kinetik tindak balas.

Menganalisis persamaan kadar tindak balas ini, kami membuat kesimpulan bahawa peningkatan dalam kadar tindak balas akan membawa kepada:

Peningkatan suhu;

Mengurangkan tahap penukaran.

Untuk mengimbangi kelembapan wr tindak balas dengan peningkatan dalam tahap penukaran Ha adalah dinasihatkan untuk meningkatkan suhu T°. sebab tu eksotermik(ΔH<0) ringkas(A→R) tidak dapat dipulihkan (→) tindak balas perlu dijalankan dalam RIV adiabatik (tiada pertukaran haba dengan persekitaran - reaktor yang beroperasi tanpa bekalan atau penyingkiran haba Q ke persekitaran melalui dinding reaktor. Itu. semua haba yang dibebaskan atau diserap semasa tindak balas terkumpul (diserap) oleh campuran tindak balas)

Dalam kes ini, tinggi kelajuan wr tindak balas dan tinggi prestasi P reaktor tanpa menggunakan sumber haba asing Q.

Suhu meningkat dengan peningkatan dalam penukaran, oleh itu, pemalar kadar juga meningkat, yang bermaksud bahawa kelajuan proses juga meningkat.

Organisasi terbaik proses dicapai jika haba Q produk yang meninggalkan reaktor berfungsi untuk memanaskan reagen di pintu masuk ke reaktor.

Reaksi endotermik (∆H>0) ringkas(A→R) tidak dapat dipulihkan (→) adalah tidak menguntungkan untuk dijalankan dalam RIV adiabatik, dan ia lebih sesuai - dalam reaktor dengan bekalan haba Q, mengekalkan suhu tertentu T 0 maksimum yang mungkin atas sebab struktur dan teknologi (isoterma, politerma). (dengan peningkatan dalam penukaran, suhu berkurangan, yang bermaksud bahawa kedua-dua pemalar kadar dan kadar itu sendiri menurun). Proses endotermik masih dijalankan dalam RIV-N adiabatik, tetapi bekalan bahan mentah dijalankan bersama-sama dengan stim.

Tindak balas mudah boleh balik

(↔ )

Menganalisis persamaan kadar tindak balas ini, kami membuat kesimpulan bahawa kepada peningkatan kelajuan wr tindak balas akan meningkat suhu:

T 0 => w r

Untuk kelajuan wr tindak balas juga dipengaruhi oleh tanda kesan haba Q r(atau entalpi ΔH):

1) Jika tindak balas langsung - endotermik ΔН>0 ( dengan penyerapan haba)

maka kenaikan suhu T 0 juga akan memberi kesan positif kepada keadaan keseimbangan kimia ↔ (alih dia ke tepi tindak balas langsung →).

Oleh itu, tindak balas sedemikian dijalankan dalam reaktor dengan bekalan haba dengan cara yang sama seperti tidak dapat dipulihkan (→) endotermik (ΔN >0) tindak balas.

2) Jika tindak balas langsung - eksotermik (ΔН< 0) (dengan pelepasan haba)

maka KINETIK dan TERMODINAMIK proses itu menjadi konflik: suhu T 0 memberi kesan buruk kepada keadaan keseimbangan kimia ↔ (alihkan ia ke tepi tindak balas belakang ←).

Oleh itu, mod berikut digunakan:

- pada permulaan proses apabila kepekatan produk C R masih kecil

kenaikan suhu T 0 sehingga, Selamat tinggalkelajuan proses wr tidak akan cukup tinggi;

- pada akhir proses - suhu diturunkan secara beransur-ansur T0 ↓ Oleh garisan

suhu optimum (LOT) supaya kepantasan proses wr kekal setinggi mungkin di bawah keadaan yang diberikan.

Rejim sedemikian tidak boleh dilaksanakan sama ada dalam reaktor adiabatik atau isoterma. Anggaran kepada mod ini ialah REV, yang terletak di dalam tiub pertukaran haba, di dalamnya dilalui agen penyejuk.

Cara lain ialah dengan menjalankan proses dalam reaktor berbilang bahagian, di mana setiap bahagian beroperasi dalam rejim adiabatik, tetapi terdapat penyejukan antara bahagian.

Untuk tindak balas endotermik (boleh balik dan tidak boleh balik), adalah dinasihatkan untuk menjalankan proses kimia dalam reaktor dengan bekalan haba, dan adalah wajar untuk memastikan pengagihan suhu yang cukup seragam ke atas isipadu reaktor. Jenis radas yang biasa untuk menjalankan tindak balas endotermik ialah reaktor tiub, reka bentuk serupa dengan penukar haba shell-dan-tiub. Dalam peranti ini, ruang tiub ialah reaktor itu sendiri, di mana reagen bergerak dalam mod anjakan, dan penyejuk, seperti gas serombong, melalui anulus. Reaktor tiub untuk menjalankan tindak balas pemangkin, dipanaskan oleh gas serombong, digunakan, khususnya, untuk pembentukan semula wap gas asli. Reka bentuk yang serupa mempunyai relau retort untuk sintesis butadiena daripada etil alkohol, di mana

Relau

nasi. Gas reaktor tiub

untuk endotermik

bukannya paip, pemangkin diletakkan dalam retort - saluran sempit dengan keratan rentas segi empat tepat. Dalam reaktor sedemikian, lebar keratan rentas saluran yang melaluinya campuran tindak balas bergerak mestilah kecil untuk mendapatkan taburan suhu yang cukup seragam ke atas keratan rentas. Oleh kerana dalam reaktor sebenar, rejim hidrodinamik menyimpang daripada rejim anjakan yang ideal, di mana keadaan disamakan dalam mana-mana keratan rentas, suhu di tengah saluran berbeza daripada suhu berhampiran dinding. Dalam paip berdiameter besar, suhu pada paksi paip jauh lebih rendah daripada suhu berhampiran dinding. Akibatnya, kadar tindak balas di bahagian aliran tindak balas yang bergerak dekat dengan paksi paip adalah lebih rendah daripada kelajuan purata dalam radas. Apabila menjalankan proses pemangkin, pemangkin hanya boleh digunakan pada permukaan dalaman paip, yang akan memberikan kira-kira suhu yang sama di seluruh reaktor.

Tindak balas endotermik homogen juga boleh dilakukan dalam reaktor dengan pencampuran intensif dan permukaan pertukaran haba, kerana dalam kes ini taburan suhu seragam ke atas reaktor juga akan dipastikan.

Tindak balas eksotermik dijalankan, sebagai peraturan, sama ada di bawah keadaan adiabatik atau dalam radas dengan penyingkiran haba.

Dalam pelaksanaan tindak balas eksotermik yang tidak dapat dipulihkan, peningkatan suhu dengan jelas hanya membawa kepada peningkatan dalam kadar proses. Untuk mengurangkan kos tenaga, adalah berfaedah untuk menjalankan tindak balas sedemikian dalam mod autoterma, apabila suhu yang diperlukan disediakan secara eksklusif oleh haba yang dibebaskan daripada tindak balas kimia tanpa bekalan tenaga dari luar. Terdapat dua suhu mengehadkan (bawah dan atas), di antaranya adalah dinasihatkan untuk menjalankan proses tersebut.

Had bawah ialah suhu di mana kadar tindak balas eksotermik (dan seterusnya kadar pelepasan haba) adalah mencukupi untuk memastikan operasi autoterma. Di bawah haba ini, kadar pelepasan haba adalah kurang daripada kadar penyingkiran haba dengan aliran tindak balas meninggalkan reaktor, dan suhu dalam radas aliran adiabatik akan menurun.

Had suhu atas dikaitkan dengan proses sampingan (tindak balas kimia sampingan atau fenomena fizikal sampingan), serta dengan rintangan haba bahan struktur. Sebagai contoh, apabila menjalankan proses heterogen menembak bahan pepejal berbutir, peningkatan suhu melebihi nilai had tertentu membawa kepada pensinteran zarah pepejal, dan, akibatnya, kepada peningkatan dalam masa untuk transformasi lengkapnya dan penurunan dalam reaktor produktiviti. Selalunya, peningkatan suhu dihadkan oleh kekuatan bahan struktur dan ketidaksesuaian penggunaan bahan tahan haba yang mahal.

Apabila menjalankan proses eksotermik sintesis mikrobiologi, peningkatan suhu dihadkan oleh daya maju mikroorganisma. Oleh itu, adalah dinasihatkan untuk menjalankan proses sedemikian dalam reaktor dengan penyingkiran haba, dan untuk mengelakkan terlalu panas tempatan, lebih baik menggunakan reaktor di mana rejim hidrodinamik mendekati pencampuran yang ideal. Pencampuran intensif dalam proses sedemikian bukan sahaja memastikan pengagihan suhu seragam, tetapi juga mempergiatkan peringkat pemindahan jisim oksigen dari fasa gas ke fasa cecair.

Tindak balas eksotermik boleh balik mesti dilakukan mengikut garis suhu optimum, iaitu, dengan menurunkan suhu dalam radas apabila darjah penukaran reagen meningkat. Rejim sedemikian tidak boleh dilaksanakan sama ada dalam reaktor adiabatik atau isoterma: dalam rejim adiabatik, peningkatan dalam tahap penukaran disertai dengan pembebasan haba dan pemanasan, bukannya penyejukan, campuran tindak balas; dalam mod isoterma, suhu kekal malar dan tidak berubah dengan peningkatan dalam darjah penukaran.

Sangat sukar untuk menjalankan proses dengan ketat sepanjang garis suhu optimum. Ini boleh dilakukan dalam reaktor dengan permukaan pertukaran haba yang beroperasi dalam mod anjakan, dengan syarat jumlah haba yang dikeluarkan melalui dinding reaktor akan berbeza di bahagian lain radas. Sebelum permulaan tindak balas, reagen harus dipanaskan pada suhu tinggi, dan sebaik sahaja ia memasuki radas, penyingkiran haba harus disediakan. Jika reaktor dibahagikan sepanjang panjang kepada beberapa bahagian, maka untuk memastikan pergerakan sepanjang garis suhu optimum, dalam setiap daripada mereka jumlah haba yang dikeluarkan harus sedikit lebih besar daripada jumlah haba yang dikeluarkan semasa tindak balas. Perlu diingat bahawa apabila tahap penukaran meningkat, kadar tindak balas berkurangan dan, akibatnya, kadar pelepasan haba berkurangan. Oleh itu, dalam bahagian reaktor di mana tindak balas selesai, kurang haba mesti dikeluarkan daripada bahagian awal.

Topik 6. REAKTOR KIMIA

Mana-mana CTP adalah mustahil tanpa reaktor kimia, di mana kedua-dua proses kimia dan fizikal berlaku.

REAKTOR KIMIA (daripada awalan semula Latin, bermaksud tindakan terbalik, dan aktor - penggerak, bertindak), radas industri untuk menjalankan tindak balas kimia. Reka bentuk dan cara operasi reaktor kimia ditentukan oleh jenis tindak balas, keadaan fasa reagen, sifat proses dalam masa (berkala, berterusan, dengan aktiviti mangkin yang berbeza-beza), mod pergerakan tindak balas sederhana (berkala, separa aliran, dengan kitar semula), mod operasi terma (adiabatik, isoterma , dengan pertukaran haba), jenis pertukaran haba, jenis penyejuk.

Moden reaktor kimia - ini adalah radas kompleks yang mempunyai peranti khas, contohnya:

1) memuatkan dan memunggah peranti (pam);

2) penukar haba;

3) peranti pencampuran,

direka untuk mendapatkan produk sasaran, dilengkapi dengan sistem instrumentasi dan instrumentasi yang kompleks.

Keperluan untuk reaktor industri

1. Prestasi MAX dan keamatan kerja.

2. Hasil produk yang tinggi F dan selektiviti tertinggi proses φ- ini dipastikan oleh mod operasi optimum reaktor (T, R, C), tahap penukaran yang tinggi x.

3. Penggunaan tenaga optimum untuk pemindahan jisim dalam reaktor

Terdapat percanggahan antara keperluan untuk tinggi prestasi (bahan mentah) dan tinggi tahap penukaran X A(reagen):

dalam skim dengan gelung terbuka keutamaan diberikan kepada yang tinggi darjah penukaran X A reagen;

dalam sistem tertutup keutamaan diberikan kepada yang tinggi prestasi.

Dalam pengeluaran produk berkualiti tinggi, reaktor mesti memastikan kos minimumnya.

Pengelasan reaktor kimia

1) Mengikut ciri reka bentuk:

nasi. 1 - Jenis utama kimia. reaktor: a - reaktor kapasitif aliran dengan pengacau dan jaket pertukaran haba; b – reaktor pemangkin berbilang lapisan dengan elemen pertukaran perantaraan dan haba; (c) reaktor lajur dengan pembungkusan untuk proses dua fasa; d – reaktor tiub; bahan I-sumber; P - produk tindak balas; T - penyejuk; K - pemangkin; H - muncung; FC - elemen pertukaran haba.

Dalam RIS, semua parameter volum adalah malar.

nasi. 2. Graf kebergantungan:

A) C A \u003d f (τ atau H)b) w= f (τ atau H) V) X A \u003d f (τ atau H)

- kelajuan proses per unit isipadu

Isipadu tak terhingga kecil reaktor dV dipilih dan keseimbangan bahan dibuat untuknya. Kemudian jalankan penyepaduan isipadu tak terhingga ini ke atas keseluruhan isipadu reaktor.

Biarkan tindak balas tak boleh balik yang mudah diteruskan dalam reaktor tanpa mengubah isipadu υ:

di mana, C A - kepekatan awal dan semasa masing-masing;

υ - aliran isipadu

di mana V- isipadu reaktor (m 3);

dV ialah isipadu asas reaktor (m 3).

Mari kita ringkaskan:

(Akan datang)

- Persamaan matematik. seimbang

isipadu asas RIV-N

Untuk mendapatkan tikar persamaan. keseimbangan keseluruhan reaktor, kami menyepadukan persamaan yang terhasil selepas pemisahan pembolehubah (di atas isipadu keseluruhan reaktor):

- Persamaan ciri RIV-N.

di mana w A cari, mengetahui kinetik proses.

Persamaan ciri RIV-N membenarkan, mengetahui kinetik proses

(untuk mencari w A), tentukan masaτ tinggal reagen dalam reaktor, perkadaran mencapai yang ditentukan darjah penukaran X A, dan kemudian - dan dimensi reaktor.

Untuk reaksi ke-n pesanan :