Расчет реакторов

Термодинамические и кинетические основы химического процесса

Пример 1-1. Используя термодинамические данные, рассчитать константу равновесия газофазной реакции гидратации этилена при температуре 300 С (573 К):

Пример 1-2. При исследовании реакции разложения аммиака на вольфраме

Рисунок 1.1 Значения температуры при 1 – 900; 2 - 1100

при различных температурах получены следующие зависимости времени полупревращения т0,5 от наального давления паров аммиака ро (продукты разложения при т = 0 отсутствуют):
Определить порядок реакции и энергию активации.

Пример 1-3. При исследовании реакции взаимодействия трифенилметилхлорида с метанолом в безводном бензоле в присутствии пиридина при температуре 25°С, начальной концентрации трифенилметилхлорида 0,106 кмоль-м-3 и начальной концентрации метанола 0,054 кмоль-м-3 были получены следующие данные:

Определить константу скорости реакции и построить график зависимости скорости реакции от времени.

Пример 1-4. При проведении реакции изомеризации этилового эфира ацетилуксусной кислоты было экспериментально установлено, что мольная доля енолыюй формы изменяется со временем следующим образом и при равновесии равна 0,078. Определить k.

Пример 1-5. Реакция проводится в среде абсолютного этанола.

Для опыта было взято 20 см3 0,1 н. раствора исходной кислоты. Полученные данные приведены ниже: Определить константы скорости реакции k1 и k2

 

 

Пример 1-6. При проведении газофазной реакции разложения тетрагидрофурана Оыла получена следующая зависимость скорости реакции
в начальный момент (dp/dт)макс от начального давления тетрагидрофурана р0:
При различных температурах получены следующие значения т05 в зависимости от р0:

Определить порядок реакции и величину энергии активации.

Пример 1-7. Реакция окисления этилена кислородом воздуха в присутствии катализатора (серебра):



проходит в реакторе непрерывного действия при Т = 533 К и атмосфером давлении. Известно, что газовый поток, поступающий в реактор, содержит 5% (мол.) этилена и 95% (мол.) воздуха. При данных условиях 50% этилена окисляется до окиси этилена и 40% этилена сгорает. Рассчитать тепловой эффект реакции, отнесенный к 1 моль этилена.

 

Материальный и тепловой балансы химического процесса

Пример 2-1. В реакторе идеального смешения происходят следующие реакции;

Начальная концентрация исходного вещества СА= 1 кмоль-м-3; текущие концентрации веществ [в кмоль-м-3]: СА =0,44; СВ = 1,06; СR = 0,05; СS = 0,33; Сг = 0,14. Скорость подачи исходных веществ v=5*10-3 м3/c.

Пример 2-2. В реакторе идеального смешения, работающем в адиабатических условиях, происходят реакции:

где R – продукт реакции
Начальные концентрации исходных веществ и продуктов (в кмоль-м3): СAo=0,1; СB0=0,3; СR0=CD0=CP0=CS0=0. Текущие концентрации взаимодействующих веществ (в кмоль-м-3): СA = 0,016; СР = 0,028; СS = 0,012; СD —0,034.
Тепловой эффект реакции (-H)= 1,5-108 Дж/(кмоль В). Плотность смеси р=860 кг/м3, теплоемкость смеси ср=2,85-103 Дж(кг-К), скорость подачи vo= 2,6-10-2 м3-с-1.
Определить производительность реактора по продукту К и температуру на выходе реактора, если начальная температура 12°С (285 К).

Пример 2-3. В реакторе идеального вытеснения, работающем в адиабатических условиях, происходит жидкофазная реакция первого порядка
2A -(kA) -> B
Константа скорости реакции kA (в 1/c):
Начальные концентрации веществ (в кмоль-м-3): СA0=4,5; СB0=0. Тепловой эффект реакции (-H) = 2-107 Дж/(кмольА), теплоемкость реакционной смеси ср = 2,2-103 Дж/(кг-К), плотность реакционной смеси р=850 кг/м3, температура исходной смеси T0 = 300 К, скорость подачи v0= 10-3 м3-с-1, объем реактора V = 5 м3.
Определить производительность реактора по продукту В и темпеатуру смеси на выходе.

Пример 2-4. Установка состоит из следующих последовательно содиненных реакторов: идеального смешения (V1= 2 м3), идеального вытеснения (V2 = 2м3) и идеального смешения (V3=3м3).
Начальная концентрация вещества СA3= 1 кмоль-м-3, скорость подачи v0 = 0,05 м3/c скорость реакции (-rA) = 0,0051*CA^0,28. В начальный момент времени продукт в системе отсутствует. Плотность реакционной смеси не меняется.
Определить концентрацию исходного вещества после каждого реактора и рассчитать графически производительность установки по продукту, если известно, что 1 моль исходного вещества дает 2 моль продукта.

Пример 2-5. Определить графически производительность системы по продукту для обратимой реакции A <-(k1, k2)->B, если константы скорости k1 =6.5-10^-3 1/c, k1/ = 1,2-10^-3 1/с, начальные концентрации CA = 0,08 кмоль/м3, Св0 = 2-10^-3 кмоль/м3, скорость подачи смеси с0 = 4-10-3 м/c. Система состоит из реактора идеального смешения (V1= 1,5 м3) и реактора идеального вытеснения (V2 = 1,2 м3), соединенных последовательно.

Пример 2-6. Жидкофязная реакция второго порядка протекает без изменения плотности реакционной смеси в системе трех одинаковых по объему реакторов идеального смешения А + В -> R + D. Начальные концентрации исходных веществ СA3 = 2 кмоль/м3, СB0 =3кмолъ/м3, текущая концентрация вещества CAi3 =0,14 кмоль/м3. Реакция эндотермическая, тепловой ее эффект равен Hr = 6,8-106 Дж/(кмольА). Плотность реакционной смеси р = 1050 кг/м, теплоемкость ср = 2,90-103 Дж/(кг-К). Температура исходной смеси Tо=20°С, скорость подачи v0=1,6-10-2 м2/с. В первом реакторе поддерживается температура t1 = 20°С, во втором t2 = 35°С, в третьем t3:=5°С. Соответствующие константы скорости в [1/(с*кмоль*м3] k1= 0,041; k2 = 0,078; k3 = = 0,181.
Определить объем реактора и общее количество пара, необходимое для поддержания изотермических условий в реакторах, если давление пара 0,12 МПа (1,2 кгс/см2) и влажность 3%.

Пример 2-7. Реакция A –(k1)-> R <-(k1, k2)->S где R - продукт, проходит в реакторе идеального смешения с рециклом. Константы скорости реакции k1 = 5,1*10-3 1/c, k2 = 3,2*10-3 1/c, k2/=1,7-10-3 1/с. Объем реактора V = 0,8 м3, отношение объемной скорости рецикла к скорости подачи 0,17. Начальные концентрации исходных веществ и продукта: СA0=1,65 кмоль/м3; СS0 = 0,12 кмоль/м3; СR0=0. Плотность реакионной смеси остается постоянной. Скорость подачи v0=2-10-3 м3/c. Определить производительность системы (рис. 2-4) по продукту и концентрацию продукта.

Пример 2-8. Реакция A –(k1) -> R –(k2)-> S (где k1 =3,7-10-3 1/с, k2 =2,4- 10-3 1/c) проходит в реакторе идеального вытеснения с рециклом (рис. 2-5). Объем реактора V = 0,67 м3. Начальные концентрации: СA/ = 0,25 кмоль/м3, а продуктов CR0=CS0=0, R - продукт реакции. Производительность по исходному веществу А равна СA/ =4-10-4 кмоль/с.

Определить: 1) объем рецикла, если система работает с получением максимальной концентрации продукта; 2) производительность по продукту; 3) концентрацию вещества А в рецикле, если после сепаратора происходит полное разделение продуктов и непрореагировавшего вещества А, причем концентрация вещества А в рецикле такая же, как на выходе из реактора.

Пример 2-9. Реакция А + В –(kA)-> 2С проводится в двух реакторам идеального смешения, соединенных последовательно (рис. 2-6). Объемы реакторов V1 = 0,2 м3, V2 = 0,6 м3. Концентрации веществ в потоке СAг = 0,24 кмоль/м3, СB0 = 0,36 кмоль/м3. Подача исходных веществ осуществляется раздельно со скоростями v/0A= 8-10-4 м/с и v/0B = 4-10-4 м3/с. При т=0 концентрация продукта Сс=0. Плотность реакционной смеси не меняется. Константа скорости реакции kA = 4,1-10-2 с-1 (кмоль/м) .
Определить производительность системы по продукту. Как изменится производительность по продукту, если два реактора идеального смешения заменить одним реактором идеального вытеснения, объем которого равен сумме объемов двух реакторов смешения (остальные параметры те же)?


Пример 2-10. Определить производительность по продукту для реакции А + 2В –(kA)-> R + М, где R - продукт и kА = 0,001 1/с (кмоль/м3) - константа скорости по веществу А. Начальные концентрации веществ: СA0 = 2 кмоль/м, СB0 = 5 кмоль/м.
Производительность по исходному веществу А равна CA0 = 4-10-3 кмоль/с. Рассмотреть параллельную и последовательные схемы для реактора идеального смешения (V1= 1 м3) и реактора идеального вытеснения (V2=2 м3). Плотность реакционной смеси постоянна, в начальный момент времени продукт отсутствует.


Пример 2-11. Жидкофазная реакция первого порядка А –(k)->R и протекает в системе двух равных по объему (V = 0,6 м3) и последовательно соединенных реакторов идеального смешения. Начальная концентрация вещества А CA0= 1,5-10-2 кмоль/м3. Скорость подачи v0= 0,001 м3/с. Константа скорости реакции k = 2-10-3 1/c. Плотность реакционной смеси постоянна.
При подаче мгновенного импульса концентрация в первом реакторе становится равной 1,8-10-2 кмоль/м3. После этого в схему снова подается раствор с прежней концентрацией.
Рассчитать концентрации вещества А в первом и во втором реакторах через 5 и 10 мин с момента подачи мгновенного импульса. Определить время, при котором концентрация вещества А на выходе из системы отличалась бы от стационарной, на 5%.

Пример 2-12. Жндкофазная необратимая реакция А –(k)-> R протекает в реакторе идеального смешения объемом V = 0,6 м3 при скорости подачи v0 = 0,001 м3/c и постоянной плотности реакционной смеси. Константа скорости реакции k = 2-10-3 1/c. Начальные концентрации: СA0 = 1,5-10-2 кмоль/м3; СRо = 0.
Определить концентрацию продукта через 10 мин после подачи ступенчатого сигнала (рис. 2-10), который характеризуется концентрацией начального продукта СA0 = 1-10 3 кмоль/м3 и скоростью подачи v0=0,8-10-3 м3/с.

Пример 2-13. Реакция А ->(k) продукты проходит в системе реакторов идеального смешения, соединенных последовательно. Константа скорости реакции k=2,2-10~3 1/с. Объемы реакторов V1=V2=0,5 м3. Начальная концентрация исходного вещества СА, = 0,60 кмоль/м3. Скорость подачи v0=0.7-10-3 м3/с. Плотность реакционной смеси не меняется.
В результате прямоугольного импульса (рис. 2-11), время действия которого 3 мин, начальная концентрация исходного вещества увеличилась до СА0 = 1-0 кмоль-м-3.
Определить: I) интервал времени с момента окончания импульса, когда концентрация вещества А во втором реакторе достигает максимального значения; 2) максимальную концентрацию вещества А во втором реакторе.

   

Степень превращения, выход и избирательность в химическом процессе

Пример 3-1. Жидкофазная необратимая реакция первого порядка протекает без изменения плотности реагирующих веществ в реакторе периодического действия. Продукты реакции в исходном растворе отсутствуют. За время т1 = 120 с в целевой продукт превращается 20 % исходного вещества. Определить степень превращения при т2 = 360 с в непрерывнодействующем реакторе идеального вытеснения и непрерывнодействующем реакторе идеального смещения.

Пример 3-2. В реакторе периодического действия протекает жидко-фазная реакция второго порядка А + В –(k2)-> R + S при постоянном объеме и соотношении начальных концентраций исходных веществ СA0 ; CB0 = 0,55 : 0,45. Известно, что за время т = 80 с степень превращения по веществу В достигает 30 %.
Определить степени превращения веществ А и В в реакторе идеального смешения и реакторе идеального вытеснения, если соотношение концентраций исходных веществ на входе в реактор остается прежним, а подача исходных веществ А и В осуществляется раздельно (скорости подачи веществ v0a=1,8-10-3 м3/с, v0b=2,7-10-3 м3/с; объем каждого реактора V = 5,2 м3).

Пример 3-3. Жидкофазная необратимая реакция первого порядка протекает с изменением плотности реакционной смеси в реакторе периодического действия. При степени превращения XA=0 плотность р = 800 кг/м3, а при XA=1 р=1040 кг/м3. Известно, что за время т = 130 с объем реакционной смеси уменьшился на 12 % от первоначальной величины.
Определить степень превращения, которая будет в реакторе идеального смешения и реакторе идеального вытеснения объемом V = 0,1 м3 каждый при скорости подачи vО = 5-10-3 м3/с.

Пример 3-4. В реакторе периодического действия протекает жидкофазная реакция второго порядка А + 2В –(k2)-> продукты. Плотность реакционной смеси не меняется. Константа скорости реакции рассчитывается по веществу А. Соотношение начальных концентраций веществ СA0 ; CB0 = 1 : 2. Известно, что за время т = 50 с степень превращения достигает 12 % по веществу А.
Вычислить степень превращения вещества А в реакторе идеального вытеснения и реакторе идеального смешения при том же соотношении исходных концентраций, если скорость подачи исходных веществ составляет vО = 2,4-10-2 м3/с, а объем каждого реактора равен V = 5,6 м3.
Определить объемы реактора идеального вытеснения и реактора идеального смешения, необходимые для достижения рассчитанных выше степеней превращения, если соотношение исходных концентраций веществ будет равно СA0 ; CB0=1 :4 (СA0=const). Задачу решить аналитически и графически.

Пример 3-5. Для газофазной реакции А –(k1, k2)-> 3B где k1 = 4.6-10-4 1/c и k1 = 1,1-10-4 1/c (обе константы даются по веществу А), найти степень превращения вещества А за время, равное т = 5009 с, при СB0 = 0: 1) для реактора идеального вытеснения; 2) для модели реактора идеального смешения; 3) для реактора периодического действия с постоянным объемом, если время на подготовку реактора занимает 15 % от условного времени пребывания т'.

Пример 3-6. Жидкофазную обратимую реакцию А + В –(k1, k2)-> 2R , где k1 =2,3-10-2 1/с (1/кмоль/м3), k2=0,41-10-2 1/c (1/кмоль/м3), (обе константы даются по веществу А) можно проводить как в реакторе идеального смешения, так и в реакторе идеального вытеснения.
Требуется рассчитать объемы реакторов, которые необходимы для получения степени превращения по веществу В, равной хв = 0,30, при раздельной подаче исходных веществ. Скорость подачи вещества А равна v0A=8-10-3м3/с,начальная концентрация СA0=0,12кмоль/м3. Скорость подачи вещества В составляет v0B = 6-10-3 м3/с, начальная концентрация СB0 = 0,15 кмоль/м3. Продукт в исходном растворе отсутствует. Плотность реакционной смеси постоянна.

Пример 3-7. Параллельная реакция второго порядка
А + В -(k1)-> 2R
А + A -(k2)-> 2S
протекает в реакторе периодического действия при постоянном объеме н соотношении констант скорости k2 = 0,5k1 (обе константы даются по веществу А). Плотность реакционной смеси не меняется. При времени пребывания т = 140 с и соотношении исходных концентраций СA0 = 3СB0, степень превращения вещества В равна хв = 0,62.
Определить степень превращения веществ А и В в реакторе идеального вытеснения объемом V=1,4 м3 при скорости подачи смеси vо = 1,5-10-2 м3/с и соотношении исходных концентраций СA= 3СB,

Пример 3-8. Дана реакция
А + В -(k1)-> R
R + B -(k2)-> S
константы скорости которой заданы по веществу А и равны k1 = 2-10-2 1/c (1/кмоль/м3), k2 = 3,1-10-2 1/c (1/кмоль/м3). Начальные концентрации: СA0 = 0,04 кмоль/м3; СB0 = 0,30 кмоль/м3. Вещество В подается в избытке. Продукты в исходной смеси отсутствуют.
Для реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения, имеющих равные объемы V = 0,65 м3, рассчитать: I) максимальный выход по продукту R; 2) максимальную возможную концентрацию продукта R (определить также, с какой скоростью надо подавать исходный раствор, чтобы получить эту концентрацию); 3) соотношение максимального выхода для реактора вытеснения и максимального выхода для реактора смешения.
Пример 3-9. Реакция
А + В -(k1)-> R
R + B -(k2)-> S
константы скорости которой равны равны k1 = 2-10-3 1/c (1/кмоль/м3) и равны k1 = 4-10-3 1/c (1/кмоль/м3), проводится в реакторе идеального вытеснения при скорости подачи v0 = 1,2-10-3 м3/с и начальных концентрациях исходных веществ СA0 = 0,077 кмоль/м3, СB0= 0,14 кмоль/м3 (считать, что СR0 = СS0=0).
Определить максимальный выход продукта К. а также все выходные концентрации веществ и необходимый объем реактора,

Пример 3-10. Реакция
А + В -(k1)-> R
R + B -(k2)-> S
проводится в реакторе идеального вытеснения со скоростью подачи v0= 4,5-10-3 м3/с. Константы скорости реакции k1 = 2,1-10-2 1/c (1/кмоль/м3) и k2 = 4,2-10-2 1/c (1/кмоль/м3). Начальные концентрации веществ А и В равны СA0 = 0,05 кмоль/м3 и СB0=0,20 кмоль/м3. В начальный момент времени продукты реакции отсутствуют.
Рассчитать максимальный выход по продукту К и необходимый при этом объем реактора. Определить, какой будет погрешность при расчете максимального выхода продукта и объема реактора, если расчет вести в предположении, что вещество В взято в избытке.

Пример 3-11. В реакторе идеального смешения проходит реакция
А + В -(k1)-> R
R + B -(k2)-> S
S + B -(k3)-> D

константы скорости которой равны [в 1/с 1/(кмоль/м3)]: k1 =3,8-10-3; k2 = 4,2-10-3; k3=6,4-10-3. Плотность реакционной смеси не меняется. Концентрация вещества В соизмерима с концентрацией вещества А.
Найти выход по продукту S, если степень превращения вещества А составляет хa=0,80, а концентрация продуктов в исходной смеси равна нулю.

Пример 3-12. В жидкофазной реакции
А + В -(k1)-> R
A + B -(k2)-> S
A + B -(k3)-> D
продуктом является вещество 5. Известно, что при температуре T = 295 К k1=a, k2=4,5а и k3 = 6,5a, а при T = 378 К k1 = 2,1а, k2=6,8a, k3=9,2a.
Найти избирательность по продукту S при температуре 295 К для реактора Идеального вытеснения и реактора идеального смешения. Влияет ли отношение концентраций исходных веществ на избирательность? Определить оптимальную температуру, при которой получается максимальная избирательность по продукту.

Пример 3-13. Реакция
А + В -(k1)-> R
2В -(k2)-> S
проводится в реакторе идеального вытеснения. Скорости образования продуктов описываются следующими уравнениями:

где k1 = 4,8-10-4 1/с (1/кмоль/м3); k2=1,7-10-4 1/с (1/кмоль/м3);. Плотность реакционной смеси не меняется. Отношение концентраций исходных веществ СA0/СB0, = 0,25. Концентрации продуктов в исходной смеси равны нулю.
Определить общую избирательность по продукту R, если степень превращения по веществу А равна хa = 0,14.

Пример 3-14. В результате реакции разложения из вещества А получают вещество В (продукт) и побочные продукты, причем скорости реакций находятся в следующем соотношении: -ra=rb+rnn. Мгновенная избирательность процесса зависит от степени 'превращения вещества: ф =0,65 + 2,50xa- 7,0xa^(2). Это уравнение справедливо в пределах 0 < хa < 0,5 при постоянной плотности реакционной смеси. В исходной смеси отсутствуют побочные продукты и продукт реакции. Реакцию останавливают при ф =0,53, так как дальнейшее проведение процесса снижает выход продукта.
Рассчитать интегральную избирательность по продукту, если реакцию проводить: 1) в реакторе периодического действия; 2) в реакторе идеального вытеснения; 3) в реакторе идеального смешения.
Определить максимально возможную общую избирательность по продукту для данной степени превращений. Как для этого нужно соединить реакторы?

   

Время пребывания, распределение времени пребывания, перемешивание в химических реакторах

Пример 4-1. В реальном реакторе проводится жидкофазная необратимая реакция первого порядка с изменением плотности реакционной смеси (увеличивается в 1,18 раза при xa = 1,0). Опыты с трассером дали следующие результаты:


Определить степень превращения ХА при k = 1,2-10-2 1/с, если действительное время пребывания в реакторе совпадает с действительным временем в опытах с трассером.

Пример 4-2, Реакция гидролиза А + B -> продукты описывается кинетическим уравнением второго порядка с константой скорости k = 0,11 1/с (1/кмоль/м3). Плотность реакционной системы в ходе реакции не меняется. Продукты в исходной смеси отсутствуют. Концентрации веществ в исходном растворе: CA0= 1,5-10-2 кмоль/м3; СB0=5,1-10-2 кмоль/м3. Данные опытов с трассером при той же скорости подачи, что и при проведении реакции (vо = 4-10-4 м3/с):

Определить степень превращения вещества А, используя формулу , и рассчитать объем реактора.

Пример 4-3. Обратимая реакция А <-(k1, k2)-> В протекает в трубчатом реакторе при постоянных значениях плотности, вязкости и температуры реакционной смеси. В начальный момент времени концентрация вещества В в системе равна нулю. Среднее время пребывания т = 300 с. Константы скорости прямой и обратной реакции равны k1=6,5-10-3 1/с и k1/=1,2-10-3 1/с. Определить степень превращения xa при ламинарном режиме (диффузией можно пренебречь). Сравнить полученную величину превращения со степенью превращения, рассчитанной для реактора идеального вытеснения.

Пример 4-4. В реальном реакторе предполагается проводить последовательную реакцию А –(k1)-> R –(k2)-> S, где k1 = 1,5-10-2 1/с и k2 = 0,3-10-2 1/с. Начальные концентрации продуктов СR0 = CS0=0. На основании опытов с трассером получены следующие результаты:

Какой из этих двух режимов лучше использовать для достижения наибольшего выхода по продукту К? Объяснить полученный результат. Рассчитать для этих двух режимов выход по продукту К, а также максимальный выход в идеальном реакторе.

Пример 4-5. Используя общую формулу , определить степень превращения вещества А в необратимой реакции второго порядка А + В —(k1)-> R + S при условии, что начальные концентрации имеют следующие значения: СA0 = СB0, СR0 = СS0 = 0. Реакция протекает в параллельной схеме аппаратов (рис. 4-2), составленной из реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения, причем после каждого аппарата степень превращения одинаковая. Принять
Определить соотношение объемов реакторов и сравнить найденное значение хл со степенью превращения, которая получается при использовании уравнений материального баланса, если объемные скорости подачи для каждого реактора оставить прежними. Объяснить результат.

Пример 4-6. Используя уравнение  показать, что в случае необратимой реакции первого порядка степень превращения, рассчитанная для системы, состоящей из реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения (рис. 4-3 и 4-4) остается одинаковой независимо от того, какой реактор в цепочке поставить первым.

Пример 4-7. Используя формулу  найти выражение для степени превращения, если система составлена из четырех последовательно соединенных реакторов идеального смешения одинакового объема, в которых протекает необратимая реакция первого порядка. Записать уравнения для E(0) и среднего времени пребывания.

Пример 4-8. Используя общую формулу  определить степень превращения для необратимой реакции, описываемой уравнением - r А = 1,4-10-3 Сд5 кмоль/(м3-с). Реакция протекает в системе последовательно соединенных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения; CA0= 2,40 кмоль/м3; твыт =620 с; тсм=480 с. Изменение плотности реакционной смеси в ходе реакции не происходит.
Сравнить найденную величину со степенью превращения, которая получается при использовании уравнений материального баланса систем с последовательным соединением: 1) реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения; 2) реактора идеального вытеснения и реактора идеального смешения.

Пример 4-9. На основании опытов с трассером, проведенных для реального реактора, получены следующие данные:

При проведении необратимой реакции первого порядка без изменения плотности реакционной смеси в реакторе идеального вытеснения и той же скорости подачи, что и в случае опытов с трассером, степень превращения составляет ХА =0,728 (объем реактора идеального вытеснения равен объему реального реактора).

Рассчитать степень превращения: 1) по экспериментальным данным с трассером; 2) для диффузионной модели; 3) для модели последовательно соединенных реакторов идеального смешения.

Пример 4-10. На основании опытов с трассером, проведенных для реального реактора, получены следующие данные:

Для обратимой реакции А <-(k, k1)-> В (где k1=2-10-2 1/c, k1=2-10-3 1/c), которая проводится в реальном реакторе объемом V = 0,490 ма при скорости подачи vо = 4,5-10-3 м3/с (та же скорость подачи использовалась и в опытах с трассером), определить степень превращения:
1) по экспериментальным данным с трассером;
2) для модели реактор идеального смешения + «застойная зона» объем «застойной зоны» рассчитать на основании опыта с трассером);
3) для модели реактор идеального смешения -(- байпас, -если скорость подачи в линию байпаса составляет 4% от общей скорости;
4) для той же модели, если скорость подачи в линию байпаса составляет 8% от общей скорости.
Считать, что начальная концентрация продукта равна нулю.

Пример 4-11. При проведении обратимой реакции А <-(k, k1)-> В + S (k1 = 2,8-10-2 1/с, k1/ = 0,5-10-2 1/с) концентрации веществ В и S в начальный момент времени (СB0, и СS0) равны нулю. Данные опытов с трассером для реального реактора:

Определить:
1) степень превращения вещества А в данной реакции, если скорость подачи такая же, как и в опытах с трассером;
2) соотношение Vs/V для модели реактор вытеснения + «застойная зона» (рис. 4-7);
3) степень превращения вещества А для указанной выше модели, если плотность реакционной системы увеличивается на 10% при xa = 1 (скорость подачи оставить прежнюю).

Пример 4-12. Определить форму кривых и дать выражение функций распределении Е и I для модели, представленной на рис. 4-9.

Пример 4-13. Проводится необратимая реакция второго порядка А + В –(k)-> продукты. Начальные концентрации веществ равны CA0=CB0 = 0,021 кмоль/м3, константа скорости реакции k= 3,7-10-2 1/c (1/кмоль/м3). Продукты реакции в исходной смеси отсутствуют, Используется реальный реактор, для которого при одной и той же скорости подачи опыты с трассером дали следующие результаты:

Среднее время пребывания при проведении опытов с трассером т = 920 с.
Определить степень превращения, используя данные опытов с трассером, по формуле:
Является ли данный реактор «закрытой системой»? Будет ли действительная степень превращений отличаться от величины, рассчитанной по формуле?

   

Теплообмен в химических реаторах

Пример 5-1. Для реакции первого порядка А <-(k1, k2)-> В тепловой эффект равен Нrэкв = - 3,24-104 кДж/(кмоль А), а изменение энергии Гиббса G283 = -5,2-103 кДж/кмоль. Отношение исходных концентраций веществ А и В равно CA0/CB0=10.
Найти равновесную степень превращения при температурах 30; 50; 70 и 90 °С. Считать, что теплоемкости веществ равны теплоемкости.

Пример 5-2. Обратимая реакция второго порядка А + В <-(k1, k2)-> 2R протекает в реакторе идеального вытеснения. Тепловой эффект реакции Нrэкв = -5,28-104 кДж/(кмоль А) изменение энергии Гиббса G283=- 6,40-103 кДж/ кмоль, константа скорости прямой реакции {по веществу А) k1 = 7,5-105ехр(-5,29-104/RT) 1/с/(кмоль-м-3).
Считать, что теплоемкости исходных веществ и продуктов реакции равны и не зависят от температуры. Плотность раствора не меняется, и в исходной смеси продукты реакции отсутствуют. Известно, что при начальных концентрациях исходных веществ СA0 = СB0 = 0,40 кмоль/м3 и времени т =1875 с максимальная степень превращения для данного реактора, работающего в изотермических условиях, равна ХA =0,40.
Определить, на сколько увеличится производительность реактора вытеснения, при той же степени превращения, если реактор будет работать при оптимальном температурном режиме. Максимально допустимая температура равна 65°С.

Пример 5-3. Необратимая реакция А –(k)-> R проходит в реакторе идеального смешения при адиабатических условиях. Тепловой эффект реакции (-Н°) = 12800 кДж/(моль А). Константа скорости реакции k =8,41- 104ехр(-4,92-104/RT) с~'. Средняя удельная теплоемкость веществ сp= 2400 Дж/(кг-К). Плотность реакционной смеси р = 1100 кг/м3. Объем реактора V = 4 м3. Скорость подачи v0 = 5-10-3 м3/с. Исходная концентрация вещества A CA0 = 14 кмоль/м3.
Считать, что тепловой эффект реакции и теплоемкость веществ не зависят от температуры.

С помощью графоаналитического метода определить степень превращения и температуру в реакторе, если исходная смесь вводится в реактор при следующих температурах: 283; 293; 303 и 313 К.

Пример 5-4. В реакторе идеального смешения проходит обратимая реакция А <-(k1, k2)-> В, которая имеет тепловой эффект, равный Нrэкв =58300 кДж/(кмоль А) и константу скорости прямой реакции k1=3,8-105 ехр (-45800/RT) 1/c реакции заданы: константа равновесия Kcэкв = 17,2; начальные концентрации веществ СA0= 1,8 кмоль/м3, СB= 0, СR0= 17,5 кмоль/м3 (R - инертное вещество); мольные теплоемкости веществ срA =74 кДж/(кмоль-К), СрB = 68кДж/(кмоль-К). СрR=61 кДж/(кмоль-К). Теплоемкости веществ не являются функциями температуры.
Смесь поступает в реактор при температуре t0= 10°С. Объем реактора V = 0,10 м3. Время пребывания т=175с. Для достижения максимальной производительности при данных условиях требуется отводить теплоту.
Определить площадь поверхности теплообмена, если теплота отводится за счет воды, начальная температура которой tнач = 50С. Расход воды Gн2о = 0,20 кг/с. Коэффициент теплопередачи принять равным К=480Вт/(м2-К).

Пример 5-5. Дана реакция А + В –(k1)-> С + D. Требуется получить степень превращения ХА = 0,845 при следующих условиях: тепловой эффект реакции Нrэкв = -42350 кДж/(кмоль А); константа скорости k = 6,52-10^5*ехр (42300/RT) 1/с /(кмоль/м3); концентрации исходных веществ СA= 1,4 кмоль/м3, CA0=CB0, инертного вещества СR0= 15,2 кмоль/м3, продуктов реакции при т = 0 СC0=CD0= 0. Теплоемкости веществ [в кДж/(кмоль-К)]: СрA = 88; сРB=84; СРC;=72; CpD = 76; сpR = 83. Считать, что теплоемкости всех веществ не зависят от температуры. Температура исходной смеси t0 = 20°С. Скорость подачи v0=1,75-10-3 м3/с.
Необходимо: 1) рассчитать требуемый объем реактора смешения, работающего в адиабатических условиях; 2) определить требуемый объем реактора вытеснения, работающего в адиабатических условиях; 3) правильно составить схему из реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения, объемы которых одинаковы, для того чтобы суммарный объем реакторов был минимальным, если реакторы работают в адиабатических условиях. Определить также температуру на выходе из первого реактора.

Пример 5-6. В реакторе идеального вытеснения проходит обратимая эндотермическая реакция первого порядка <-(k1, k2)-> В. Условия, при которых протекает реакция, следующие: тепловой эффект H° =28500 кДж/(кмоль-А); константа скорости прямой реакции k1=8,19-104ехр(-41100/RT)1/с; константа равновесия Kc293 = 3,765. Начальные концентрации веществ: СA0 = 1,65 кмоль/м3, СВ0 = 0, в том числе инертного вещества СR0 = 9,02 кмоль-м3. Теплоемкости веществ равны СрA = СрB = 89 кДж/(моль-К), сpR = 75 кДж/(кмольК) и не зависят от температуры.
Температура исходной смеси на входе в реактор tвХ = 850С. Время пребывания т=175 с. Тепловые потери Qпот=0,040(T-283)кВт, где T- температура в реакторе, К.
Определить: 1) объем реактора, если требуется достигнуть степени превращения ХА =0,513; 2) степень превращения, если бы реактор работал в адиабатических условиях; 3) степень превращения, если бы реактор работал в изотермических условиях при температуре, равной температуре смеси на входе в реактор.

Пример 5-7. Необратимая реакция первого порядка 2А-(k)-> В + D проходит в реакторе идеального вытеснения при следующих условиях: тепловой эффект H°= - 35600 кДж/(кмоль-А), константа скорости (по веществу А) k= 1,62-105ехр(-44400/RT) 1/с, начальные концентрации веществ (в кмоль/м3) СA0=3,8, СB0=10,1 (R - инертное вещество), СB0=СD=0, теплоемкости веществ (в кДж/(кмоль-К)] сpA = 66, сpB = 58, сpD = 54, сpR =52 (теплоемкости не зависят от температуры). Объем реактора V=0,147 м3, площадь поверхности теплообмена F = 12,8 м2, длина реактора L = 2,9 м (величина Р прямо пропорциональна L). Скорость подачи смеси v0 = 0,8-10-3м3/с.

Чтобы избежать образования побочных продуктов, в рубашку кожухотрубного реактора подают противотоком воду (начальная температура воды 12°С, конечная 22 °С). Температурный профиль воды можно считать линейным по длине реактора. Коэффициент теплопередачи K = 290 Вт(м2-К).
Температура реакционной смеси в реакторе не должна превышать 55 °С.
1. Определить, при какой температуре начальной смеси можно достигнуть наибольшей степени превращения. Найти эту степень превращения.
2. Какую степень превращения можно получить в реакторе идеального смешения при найденной выше температуре начальной смеси (остальные условия те же самые)?

Пример 5-8. Необратимая реакция первого порядка А-(k)-> продукты проходит в реакторе идеального вытеснения при следующих условиях: тепловой эффект Нr = - 44800 кДж/(кмоль-А), константа скорости (по веществу А) k = 1,84-105ехр(-44900/RT) 1/c, начальные концентрации CA0= 1,8 кмоль/м3, СR0= 10,8 кмоль/м3 (R - инертное вещество ), при т = 0 продукты отсутствуют, теплоемкости веществ срA =сpпрод = 62 кДж/(кмоль-К), cрк = 53 кДж/(кмоль-К). Теплоемкости от температуры не зависят. Плотность реакционной смеси постоянна.
Чтобы избежать образования побочных продуктов, в рубашку кожухотрубного реактора подают противотоком воду (расход GH2O=1,2 кг/с, начальная температура 12°С, конечная 20°С). Коэффициент теплопередачи K = 320 Вт/(м2-К). Температура исходной смеси на входе в реактор t = 28 °С.
Дополнительные данные по реактору: на участке реактора с объемом V = 4,8-10-3 м3, длиной l=0,1 м и площадью поверхности теплообмена F =0,24 м2 время пребывания равно т = 6,1 с.
Определить длину реактора и степень превращения. Построить температурный профиль для воды и реакционной смеси по длине реактора.

Пример 5-9. Реакция А + В –(k)-> С + В проходит в каскаде реакторов идеального смешения, имеющих равные объемы (V1=V2=V3=0,708м3). Начальные концентрации вещества (в кмоль/м3): CАО=24; Св0= 36; САf=3= 4.5 кмоль/м3; константа скорости реакции k = 8,33-10-5 1/с/(кмоль/м3). Реактор идеального смешения работает в изотермических условиях при температуре 20 °С. Исходная смесь также поступает при t0 = 20°С. Тепловой эффект реакции (-Hr) = 2,4-106 Дж/(кмоль-А). Для охлаждения реакторов используется вода, начальная температура которой 5°С, конечная 12°С.
Определить производительность системы по исходным веществам и общий расход воды.

   

Cтраница 1 из 2

Яндекс.Метрика Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100