18. Удельная производительность реакторов и их сочетаний

Кинетические уравнения, полученные при исследовании реакций, используются для выбора оптимальных условий процесса и для расчета реакторов.

Здесь рассматриваются следующие вопросы:

1. Удельная производительность и выбор реактора.

2. Выбор температуры

3. Выбор начальных концентраций исходных продуктов и степени конверсии.

4. Экономические критерии оптимизации процессов и основы их применения.

Удельная производительность реакторов – это съем целевого продукта с единицы реакционного объема в единицу времени.

Размерность этой величины в технологии:

;

в кинетике: ;

Для гетерогенно-каталитических процессов удельную производительность относят к единице объема или массы катализатора.

Для непрерывно действующих реакторов в стационарных условиях удельная производительность определяется соотношением:

(18-1)

; (гомогенные условия)

; (гетерогенные условия)

Для периодических реакторов часть времени тратится на загрузку и выгрузку, подогрев, охлаждение и другие операции. Поэтому к чистому времени реакции t необходимо добавить некоторое время непроизводительных затрат t₀:

; (18-2)

Для простых реакций, не сопровождающихся образованием побочных продуктов, в формулах (18-1,18-2) F_B и n_B можно выразить через степень конверсии, например:

; (18-3)

Для сложных реакций в уравнении (18-3) учитывают селективность:

;

Для расчета размеров реакторов и сравнения их удельной производительности используют характеристические уравнения, выраженные через концентрации или степени конверсии основного реагента А:

; (18-4)

; (18-5)

; ; (18-6)

где – уравнение скорости превращения субстрата A в j-ых реакциях

По приведенным формулам (18-4 – 18-6) зная кинетику процесса, можно рассчитать реакционные объемы, время реакции или время контакта, а также сравнить удельные производительности идеальных реакторов разного типа. Вначале сделаем это для реакторов РИВ и ИПР.

Для любой реакции можно записать:

;

;

Как видим, удельная производительность идеальных реакторов ИПР и РИВ различаются только временем непроизводительных затрат. Оно особенно заметно сказывается для быстропротекающих реакций. Поэтому периодические аппараты сохранили своё значение только для большой продолжительности (время реакции 3-5 часов и более), а также при малых масштабах производства или при выпуске на установках попеременно то одного, то другого продукта.

18.1. Реакторы ипр

Периодические реакторы в основном применяют для жидкофазных реакций. Типы периодических реакторов приведены на рис. 18.1.Их выполняют в виде аппаратов с мешалкой и теплообменом за счет рубашки и внутренних змеевиков, пустотелых аппаратов с перемешиванием жидкости за счет ее циркуляции через выносной теплообменник или реакционных колонн с перемешиванием за счет барботирования газа - реагента и внутренним либо выносным теплообменником.

Рис. 18.1. Типы периодических реакторов: а- аппарат с мешалкой и внутренним теплообменном; б- аппарат с циркуляционным перемешиванием и внешним теплообменном; в – колонна с перемешиванием барботирующим газом.

Вначале в такие реакторы загружают только один из реагентов и если требуется, катализатор и растворитель. Второй реагент подают постепенно или даже непрерывно во время реакции. Это особенно характерно для реакций в системе газ – жидкость. В этом случае реактор называют полупериодическим.