6.2. Периодический реактор идеального смешения

Периодический реактор идеального смешения (РИС-П) наиболее широко используется в химической промышленности для осуществления различных химико-технологических процессов. Для него характерна единовременная загрузка реагентов в аппарат. Концентрация реагентов меняется во времени, однако благодаря интенсивному перемешиванию она одинакова во всех точках реактора в данный момент времени. Реагенты находятся в реакторе до тех пор, пока не будет достигнута заданная степень превращения, после чего аппарат разгружается, затем вновь заполняется реагентами, и цикл процесса повторяется.

В периодическом реакторе продолжительность реакции можно изменить непосредственно.

Время одного цикла определяется по уравнению

_п =  + _всп, (72)

где _п – полное время цикла;  – рабочее время, затрачиваемое на проведение химической реакции; _всп – вспомогательное время, затрачиваемое на загрузку реагентов и выгрузку продуктов.

Исходным уравнением для получения характеристического уравнения реактора является уравнение материального баланса (71).

В РИС-П все параметры (в том числе и концентрация реагента А) одинаковы по всему объему реактора в любой момент времени (так как реакционная смесь интенсивно перемешивается).

Производная любого порядка от концентрации реагента А по осям x, y и z равна нулю, поэтому можно записать:

(73)

Тогда уравнение (71) упрощается и может быть записано в виде следующего дифференциального уравнения:

dC_A / d = v_A. (74)

Текущую концентрацию реагента А можно рассчитать по формуле

(75)

где V – объём реакционной смеси; X_A – степень превращения, –начальное количество исходного реагента А в реакционной смеси (при загрузке в реактор);N_A – количество реагента А в конце процесса.

Поскольку начальную концентрацию реагента А можно записать (если реакция протекает без изменения объема реакционной смеси) как

то

(76)

Подставив это выражение в уравнение (74), получим

(77)

или

Знак минус перед величиной указывает на то, что в процессе происходит убыль исходного реагента А.

После интегрирования полученного уравнения в пределах изменения времени от 0 до  и степени превращения от 0 до x, получим характеристическое уравнение РИС-П

(78)

Рассмотрим некоторые частные случаи решения этого уравнения. Для необратимой реакции n-го порядка скорость реакции выражается уравнением

(79)

тогда для необратимой реакции нулевого порядка, когда n = 0, получим

(80)

Для необратимой реакции первого порядка, когда n = 1,

(81)

(82)

Зная или задаваясь тремя величинами, входящими в характеристическое уравнение, всегда можно рассчитать четвертую.

Сведения о других типах реакторов и их характеристические уравнения приведены в табл. 11.

В настоящей работе проводится изучение кинетических характеристик работы периодического реактора смешения на примере реакции второго порядка омыления этилового эфира уксусной кислоты (или другого эфира по заданию) щелочью

СН₃СООС₂Н₅ + NaOH  CH₃COONa + C₂H₅OH + Q.

1. Описание лабораторной установки и порядок выполнения работы

Лабораторная установка для моделирования работы периодического реактора смешивания представляет собой термостатируемый цилиндрический сосуд, снабженный мешалкой. Объем реактора составляет 330 мл. Реагенты 0,1 М раствор эфира и 0,1 М раствор NaOH заливаются в реактор через отверстие в крышке.

В процессе реакции концентрация NaOH снижается. Изменение ее во времени контролируется с помощью кондуктометра по изменению электропроводимости реакционной массы. С уменьшением концентрации щелочи электропроводимость раствора снижается, а следовательно, растет сопротивление. По измеренному сопротивлению по таблице (или по калибровочному графику) определяется концентрация щелочи в различные моменты времени. На основании полученных данных производится расчет основных характеристик работы реактора.