Глава 3.

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Ш 3.1. ИЗОТЕРМИЧЕСКИЙ ПРОЦЕСС

В ХИМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ

Процессы, протекающие при постоянной температуре, на­зываются изотермическими. При расчете изотермического процесса в химическом реакторе используются балансовые уравнения массы.

3.1.1. Расчетные формулы

Проточный реактор идеального смешения (РИС-и). В проточ­ном реакторе исходные вещества постоянно подаются в реактор, а продукты отводятся из пего. Процесс протекает в стационарном состо­янии. В режиме идеального смешения химический состав, температура, давление и другие параметры, характеризующие свойства реакционной массы, имеют одинаковые значения во всех точках реактора. Уравне­ние материального баланса для компонента А смеси имеет вид

У<>С_А0-У₀С_А=\У_А(С)^

или

Ч>С_А - УоСдо ₌ ^_{а(с) (ЗЛ)}

Если объем реакционной смеси не меняется в результате протека­ющей реакции, то уравнение (3.1) преобразуется к виду

или

С_А0 ^ = -ВД . (3.2)

где С_А - концентрация компонента А в смеси; х — условное время пре­бывания в зоне реакции.

Условное время пребывания в зоне реакции

(3.3)

Здесь используется объем смеси У₀ при нормальных условиях, по­тому условное время реакции не совпадает со средним временем пре­бывания, которое определяется уравнением, подобным (3.3), но объем потока берется при рабочих условиях.

В табл. 3.1 сведены расчетные уравнения для реактора непрерывно­го действия, работающего в режиме идеального смешения при прове­дении в нем простых обратимых и необратимых, а также сложных хи-

Таблица 3. /. Расчетные уравнения для реактора идеального смешения непрерывного действия Реакция	Кинетическая модель г(С)	Расчетные уравнения
	кСА	х - ^АО ~ ^ А _ ХА кСл к( 1-дгд) С С*° Л- И
А -> Я	кС»А {ПФ 1)	г _ '"ло - СЛ _ ^А
А + В Я	кСАСв	т ^АО ~ (СВО ~ ^АО + ^А ) ХА кСА0(\~хА)(Ь-хА)
А Я	кСА - к'Ск (Ско - 0)	т _ ^АО ~ О. *СА-*'<СЛ0-СА) т= - к-{к Л-к')х:А кт Хк 1 + (к + *')*

Химические реакторы		77
Таблица 3.1 (окончание)
Реакция	Кинетическая модель г(С)	Расчетные уравнения
А -> К Б	*.СЛ К2Ск	т _ ^'ЛО ~ ( А _ кСА Щ-хА) Г СА0 кт + л 1+*г с .. ь*гсм ^о+ада+^г) I
А —» Я	(Л, + Л2)СА	х _ СА(\ ~ С А Х.\ (*, + к2)СА {к^к2)(\-хА)
Л —> Б		С _ САО л н-^+^к' , _ (к{+к2)х А 1 + (*,+*2)т ^ _ к^хСл0 * 1 + (*,+*2) * £ _ к2хСА0 ' 1 + (ку+к2)х

мических реакций (различные виды зависимостей когда мас­

совая плотность смеси остается постоянной.

При других кинетических зависимостях решение уравнения (3.2) возможно графически или с использованием ЭВМ.

Реактор идеального вытеснения (РИВ). Реакционная смесь движет­ся в режиме идеального вытеснения, если скорости всех элементов сме­си в произвольном сечении реактора равны между собой (поршневой режим), т. е. отсутствует осевое перемешивание, а радиальное переме­шивание считается идеальным.

Уравнение материального баланса для модели идеального вытесне­ния имеет ви

дЕсли объемный расход реакционной смеси У₀ величина постоян­ная, тогда уравнение (3.3) можно преобразовать в следующее выраже­ние:

йС

± = УГ_К , (3.4)

с\т

при т = О Сд = С_А0. (3.5)

Дифференциальное уравнение (3.4) с начальным условием (3.5) для некоторых видов простых химических реакций имеет аналитическое решение. В табл. 3.2 приведены решения уравнения (3.4) как расчет­ные формулы для реактора, работающего в режиме идеального вытес-

Таблица 3.2. Расчетные уравнения для реактора идеального вытеснения Реакция	Кинетическая модель г(С)	Расчетные уравнения
А-» К	кСА	1 . СдО і , 1 т = = — 1 п к Сд А- 1 - а д Сд" СА0 ехр(-/ст); хА = 1 - ехр(-^т)
А-> Я	{ПФ I)	(-\—П у-"»!— Г. х- л ~Ч\о к(п-1) І'1-*»1""-»!
Л + В —> К	/сСЛСв <^Л0 = ^АО * сво)	т 1 1пС,іГдо I Ь - -ЇЛ т = — 1п — кСА0(Ь-\) Ь(1-хЛ)
А <=> К	кСА-ГСК	С к] Г \ к{ + и

Таблица 3.2 (окончание)

Реакция		Кинетическая модель г( О	Расчетные уравнения
	>8	к2сн	1 , СА0 1 , 1 1 а _)п_Ж= — )п к СА к 1-дгл срГ см) схр(-Ат); -хА- 1 - схр(-Лт) с - ** Г (с~к*т г-**\ ('К - , , <"А<Ле е > 2 ~К\ 1П-1- т - *2
Л->К А —> Я		<*1 + Ч>С*	т = 1п—^ = 1п — к,+к2 Сд к1+к2 [~ХА Сд = САОехр[—(Л1 + к2)т\ хА = 1 - ехр[-(А', + к2)т\ с _ С Г1 "(А:, С^^СдоО-е-'ММХ)

нения при проведении в нем необратимых химических реакций, когда реакционный объем остается в процессе реакции постоянным

Реактор идеального смешения периодического действия (РИС-п). Ре­акторы этого типа состоят из резервуара и смесительного устройства, где компоненты смеси могут хорошо перемешиваться и реагировать между собой в течение определенного периода времени. Очевидно, что протекающий в нем процесс — нестационарный, и уравнение ма­териального баланса имеет вид

= , при Г= О ЛГ_А = Л'д,, (3.6)

Если объем реакционной смеси в процессе реакции остается посто­янным, тогда уравнение (3.6) преобразовывается к следующему виду:

при / = 0 С_А=Сд₀.

а/

При замене условного времени пребывания реагентов т в табл. 3.2 на время t можно использовать эту таблицу и при расчетах реакторов периодического действия.