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
(72)
где
– полное время цикла;
–
рабочее время, затрачиваемое на проведение
химической реакции;
– 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 объёму 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:
(74)
Текущую концентрацию реагента А можно рассчитать по формуле
(75)
где
- объём реакционной смеси;
- степень превращения,
- начальное количество исходного реагента
А в реакционной смеси (при загрузке в
реактор);
- количество реагента А в конце процесса.
Поскольку начальную концентрацию реагента А можно записать (если реакция протекает без изменения объёма 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 четвёртую.
Сведения о других типах реакторов и их характеристические уравнения приведены в табл. 1
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) щёлочью
