Схемы реакторов с рециклом

Задачи этого раздела в основном связаны с расчетом режима работы установки, состоящей из смесителя, реактора и фракционного делителя. В делителе поток разделяется на продукты реакции, которые выводится из системы, и не прореагировавшее остатки исходного вещества, возвращающегося в реактор через смеситель. Имеющийся в реакционном потоке инертный компонент разделяется между рециркулирующим и отходящим потоками.

В реакторе достигается определенная степень превращения. Анализируя работу таких систем (рис. 4.12 и рис. 4.13), можно отметить, что подается в систему вещество А, а на выходе из системы только продукт, количество которого эквивалентно количеству исходного вещества А. Следовательно, степень превращения вещества А в данной системе равна 100%.

Рис. 4.12. Схема реакционного узла с реактором вытеснения и фракционным рециклом:

См — смеситель, Дел — делитель.

Рис. 4.13. Схема реакционного узла с реактором смешения и фракционным рециклом:

См — смеситель, Дел — делитель.

Примеры

Пример 4.6

Реакция типа Л —> 2R протекает без изменения объема и проводится в установке (рис. 4.12), состоящей из смесителя, реактора вытеснения и делительного устройства, в котором продукт R полностью отделяется, а непрореагировавшее вещество, А возвращается в реактор.

Концентрация вещества А на выходе из реактора С_А = 0,48 моль/л, что соответствует степени превращения в реакторе 0,4. Объем реактора вытеснения равен 120 л. Концентрация вещества, А на входе в ХТС Сло ⁼ 1>2 кмоль/м³. Константа скорости реакции — 0,03 с^-1.

Определить производительность ХТС по продукту R, объем возвращаемого рецикла и концентрацию вещества, А в нем.

Решение

Потоки ХТС — 1, 2, 3, 4, 5. Уравнение материального баланса для ХТС в целом.

Составим уравнения материального баланса по веществу, А для смесителя (См), реактора идеального вытеснения (РИВ) и делителя (Д).

Материальный баланс по веществу R для РИВ и Д.

Составим уравнения материального баланса по потокам для См, РИВ и Д.

В записанных 9 уравнениях имеем 9 неизвестных: У_1? V₂, V₄, V₅, С_А2,

С АЗ' Сал' Cr.3 ^и 0?5*.

Базовое расчетное уравнение процесса с реакцией первого порядка в реакторе вытеснения имеет вид:

где т = У_рив / V₂. Учитывая последнее, можно решить систему балансовых уравнений и определить все неизвестные.

Пример 4.7.

Реакция типа А —" 2R протекает без изменения объема и проводится в установке (см. рис. 4.12), состоящей из смесителя, реактора вытеснения и делительного устройства, в котором продукт R полностью отделяется, а непрореагировавшее вещество Л возвращается в реактор. Константа скорости реакции равна 0,025 с^-1. Концентрация вещества, А на выходе из реактора составляет 0,36 моль/л, что соответствует степени превращения в реакторе 0.4. Объем реактора равен 150 л. Концентрация вещества, А в исходном потоке — 0,8 кмоль/м³. Определить объем рецикла, концентрацию вещества, А в рецикле и производительность по продукту R.

Решение

Определяем концентрацию вещества А на входе в реактор

Определяем время пребывания в реакторе.

Определяем объемный расход на входе в реактор

Составляем уравнения материального баланса для смесителя по веществу, А для смесителя V₀C_A0 = У_исхС_Аисх + У_рецС_рец и для делителя УрецСрец = V₀C_A. Используя эти два уравнения, находим исходный объемный поток на входе в систему.

Определяем объмный расход рецикла.

Определяем концентрацию вещества, А в рецикле.

Определяем производительность по продукту R

Пример 4.8

Процесс описывается реакцией второго порядка типа 2А R и проводится в установке, состоящей из делителя, реактора идеального смешения делительного устройства: (см. рис. 4.13). Производительность по продукту, А составляет 24,3 кмоль/ч. Объемный расход исходной смеси — 10,2 м³/ч. Концентрация вещества, А на выходе из реактора равна 0,92, а в рецикле — 2,38 кмоль/м³. Объем реактора равен 300л. Определить объем рецикла и рассчитать константу скорости реакции.

Решение. Определяем концентрацию вещества, А на входе в установку.

Определяем степень превращения в реакторе.

Определяем производительность установки по продукту R

Определяем концентрацию вещества R на выходе из реактора.

Определяем объемный поток на входе в реактор

Определяем время пребывания в реакторе.

но т =—— и, следовательно,.

к-С_А0(1~х_А)1

Пример 4.9.

Процесс описывается реакцией второго порядка типа 2А —> R с константой скорости, равной 0,065 м³/кмоль • с. Концентрация вещества R в выходном потоке равна 2,5 кмоль/м³. Процесс проводится в установке (см. рис 4.13), состоящей из реактора и делителя, где полностью отделяется продукт R, а непрореагировавшее вещество, А возвращается в реактор. Установка перерабатывает 20 кмоль/ч исходного вещества, которое поступает с концентрацией 1,4 кмоль/м³. Степень превращения вещества, А в реакторе равна 0,7, а концентрация вещества, А в рецикле равна концентрации его на входе в установку. Определить производительность установки по продукту R, необходимый объем реактора смешения, объем рецикла и концентрацию вещества R в выходном потоке.

Решение

Определяем объемный поток на входе в установку

Определяем производительность установки по продукту R

Определяем концентрацию вещества А на выходе из реактора.

Определяем концентрацию вещества R на выходе из реактора.

Определяем объемный поток на входе в реактор

Определяем объемный поток рецикла.

Определяем время пребывания в реакторе.

Определяем объем реактора смешения.

Определяем концентрацию вещества R на выходе из установки.

Пример 4.10.

В установке, состоящей из реактора смешения и делителя (см. рис. 4.13), проводится жидкофазный процесс, описываемый реакцией типа А —> —" R —> S с константами скоростей fcj = 1,8 ч^-1 и к₂ = 0,8 ч^-1. В делителе вещество А отделяется от продуктов реакции и с концентрацией, равной концентрации вещества А в исходном потоке, возвращается в реактор. Объемный расход с концентрацией вещества А = 2,5 моль/л составляет 120 л/мин.

Определить объем реактора смешения для максимально возможной производительности, часовую производительность установки по продукту R и объем рецикла.

Решение

Максимальная производительность по продукту Я будет соответствовать максимальной концентрации продукта R, которая соответственно будет определяться временем пребывания (см. табл. 2.1).

Определяем оптимальное время пребывания реакционной смеси в реакторе смешения.

Определяем концентрации веществЛиЯна выходе из реактора.

Определяем степень превращения вещества А

Из материального баланса по веществу Л V₀C_A0(1 — х_А) = V_pC_A0 и баланса по потокам для смесителя V₀ = У_исх + V_p находим, что.

Определяем объемный расход рецикла.

Определяем производительность по продукту R

Определяем объем реактора смешения.

Пример 4.11.

Жидкофазный процесс, описываемый сложной последовательной реакцией А —" R —" S с константами скоростей =2,8 мин^-1 и к₂ = = 3,2 мин^-1. Процесс проводится в установке с рециклом (см. рис. 4.12). Объемный расход вещества А с концентрацией 3,6 кмоль/м³ составляет 240 л/ч. Концентрация вещества, А в рецикле равна концентрации исходной.

Рассчитать минимальную длину реактора вытеснения диаметром 25 мм для получения максимального количества продукта R.

Решение

Минимальный объем реактора вытеснения будет соответствовать оптимальному времени пребывания реакционной смеси в реакторе вытеснения, при котором концентрация вещества R будет максимальной (см. табл. 2.2).

Определяем концентрацию вещества, А на выходе из реактора по уравнению.

что соответствует степени превращения вещества А, равной 0,86.

Из материального баланса по веществу, А V_ucxC_A0 + V₀C_A0 (1 — х_А) = = У₀С_А0 и баланса по потокам для смесителя У₀ = У_исх + V_p находим.

Определяем объем реактора вытеснения.

Определяем длину реактора вытеснения.

Задачи.

• 4.2- 1. Процесс описывается реакцией типа, А —> 2R и проводится в установке, состоящей из смесителя, реактора идеального вытеснения объемом 10 л и делительного устройства, в котором вещество, А полностью отделяется и возвращается в реактор, (см. рис. 4.12). Производительность по продукту R составляет 41,76 кмоль/ч. Константа скорости реакции — 0,8 с^-1. Концентрация вещества, А в исходном потоке равна 1,45 кмоль/м³, а на выходе из реактора — 0,3 кмоль/м³, что соответствует 80% степени превращения вещества А. Определить объем рецикла, концентрацию вещества, А в рецикле.
• 4.2- 2. Процесс описывается реакцией типа 2А —> R и проводится в установке, состоящей из смесителя, реактора идеального смешения и делительного устройства, в котором вещество, А полностью отделяется и возвращается в реактор (см. рис. 4.13). Константа скорости реакции равна 0,25 л/(моль • с). Концентрация вещества, А в исходном потоке и рецикле равны 2,5 моль/л. Концентрация вещества, А на выходе из реактора 0,9 кмоль/м³. Определить реактора смешения и объем рецикла для получения 7,2 кмоль R в час.
• 4.2- 3. Процесс описывается реакцией типа, А —" 2R и проводится в установке, состоящей из реактора и делительного устройства (см. рис. 4.12). Константа скорости реакции равна 0,025 с^-1.Концентрация вещества А на выходе из реактора составляет 0,36 моль/л, что соответствует степени превращения в реакторе 0,4. Объем реактора вытеснения — 75 л. Концентрация вещества А в исходном потоке и рецикле равна 0,8 кмоль/м³. Определить объем рецикла и производительность по продукту R.
• 4.2- 4. Процесс проводится в установке (см. рис. 4.13). В реакторе идеального смешения протекает реакция А —> R. Производительность по продукту R составляет 10 кмоль/ч. Константа скорости реакции равна 0,06 с^-1.Степень превращения в реактора — 0.8. Объем реактора смешения — 0,2 м³. Концентрация вещества Л в исходном потоке равна
• 1.4 кмоль/м³. Определить объем рецикла и концентрацию вещества А в рецикле.
• 4.2- 5. Процесс проводится в установке (см. рис. 4.12). В реакторе идеального вытеснения объемом 10 л протекает реакция А —> R. Производительность по продукту R составляет 10 кмоль/ч. Константа скорости реакции равна 0,04 с^-1. Степень превращения в реактора равна 0,6. Концентрация вещества А в исходном потоке равна 2,5 кмоль/м³. Определить объем рецикла и концентрацию вещества А в рецикле.
• 4.2- 6. Процесс проводится в установке (см. рис. 4.12). В реакторе идеального вытеснения протекает реакция А —> R. Производительность по продукту R составляет 1,8 кмоль/ч. Константа скорости реакции — 0,02 с^-1. Концентрация вещества А в исходном потоке равна
• 2.5 кмоль/м³, на выходе из реактора — 1,05 кмоль/м³. Определить объем рецикла, концентрацию вещества А в рецикле и объем реактора.
• 4.2- 7. Процесс проводится в установке (см. рис. 4.12). В реакторе идеального вытеснения протекает реакция А^> R. Производительность по продукту R составляет 2,4 кмоль/ч. Константа скорости реакции равна 0,03 с^-1. Степень превращения в реактора равна 0,6. Концентрация вещества Л в исходном потоке и рецикле составляет 1,6 кмоль/м³. Концентрация вещества А на выходе из ректора равна 0,64 кмоль/м³. Определить объем рецикла и объем реактора.
• 4.2- 8. Процесс описывается реакцией типа А —> 1,5R. Константа скорости реакции равна 0,025 с^-1. Концентрация вещества А в исходном потоке и рецикле равна 1,8 кмоль/м³. А на выходе из реактора — 0,9 кмоль/м³. Процесс проводится в реакторе вытеснения объемом 140 л (см. рис. 4.2.). Определить объем рецикла и производительность установки по исходному веществу.
• 4.2- 9. В реакторе идеального вытеснения объемом 150 л (см. рис. 4.12) протекает реакция А —> 2R. Константа скорости реакции равна 0,015 с^-1. Степень превращения в реактора равна 0,4. Концентрация вещества А в исходном потоке равна 0,8 кмоль/м³, а на выходе из реактора — 0,36 кмоль/м³. Определить объем рецикла и концентрацию вещества А в рецикле, а также производительность установки по исходному веществу.
• 4.2- 10. В реакторе идеального смешения (см. рис. 4.13) протекает реакция 2А —" R. Производительность по продукту А составляет

• 18,36 кмоль/ч. Константа скорости реакции равна 1,25 м³/(кмоль • с). Степень превращения в реакторе равна 0,7. Концентрация вещества, А в исходном потоке и в рецикле — 3 кмоль/м³. Определить производительность установки по продукту R, объем реактора и объем рецикла.
• 4.2- 11. В реакторе идеального смешения (см. рис. 4.13) протекает реакция 2А —> R. Производительность по продукту А составляет
• 16,2 кмоль/ч. Константа скорости реакции равна 0,05 м³/(кмоль • с). Степень превращения в реакторе равна 0,65. Концентрация вещества А в исходном потоке и в рецикле — 1,7 кмоль/м³. Определить производительность установки по продукту R, объем реактора и объем рецикла.
• 4.2- 12. Процесс описывается реакцией второго порядка типа 2А —> —" R. Производительность установки (см. рис. 4.13) по продукту А составляет 15,12 кмоль/ч. Объемный расход вещества Л составляет 8,4 м³/ч. Концентрация вещества Л на выходе из реактора равна 0,54, а в рецикле — 1,8 кмоль/м³. Объем реактора смешения равен 1200 л. Определить объем рецикла и константу скорости реакции.
• 4.2- 13. Процесс описывается реакцией типа 2А —> R. Производительность установки (см. рис. 4.13) по продукту Л составляет 30,0 кмоль/ч. Константа скорости реакции — 0,029 м³/(кмоль • с). Концентрация вещества R в выходном потоке равна 2,5 кмоль/м³. Объем рецикла составляет 10,8 м³/ч. Концентрация вещества А на выходе из реактора — 1,125 кмоль/м³. Определить производительность установки по продукту R, объем реактора смешения, концентрацию вещества А в рецикле и степень превращения вещества, А в реакторе.
• 4.2- 14. Процесс описывается реакцией типа 2А —> R с константой скорости, равной 0,065 м³/(кмоль • с). Процесс проводится в установке (см. рис. 4.12), состоящей из реактора вытеснения и делителя, где отделяется продукт R, а непрореагировавшее вещество, А возвращается в цикл. Установка перерабатывает 19,6 кмоль/ч исходного вещества, которое поступает с концентрацией 1,4 кмоль/м³. Степень превращения вещества, А в реакторе равна 0,7, а концентрация вещества, А в рецикле равна концентрации его на входе в установку. Определить производительность установки по продукту R, необходимый объем реактора вытеснения, объем рецикла и концентрацию вещества R в выходном потоке.
• 4.2- 15. Процесс описывается реакцией типа 2А —" R с константой скорости, равной 0,065 м³/(кмоль • с). Процесс проводится в установке (см. рис. 4.13), состоящей из реактора смешения и делителя, где отделяется продукт R, а непрореагировавшее вещество, А возвращается в цикл. Установка перерабатывает 19,6 кмоль/ч исходного вещества, которое поступает с концентрацией 1,4 кмоль/м³. Степень превращения вещества, А в реакторе — 0,7, а концентрация вещества, А в рецикле равна концентрации его на входе в установку. Определить производительность установки по продукту R, необходимый объем реактора смешения, объем рецикла и концентрацию вещества R в выходном потоке.

• 4.2- 16. Процесс описывается реакцией типа 2А —" R и проводится в установке, состоящей из реактора вытеснения и делителя (см. рис.
• 4.12) и вырабатывает 9 кмоль/ч продукта R с концентрацией его в выходном потоке, равной 1 кмоль/м³. Константа скорости реакции — 0,05 м³/(кмоль • с). Концентрация вещества Л в рецикле равна концентрации его на входе в установку. Концентрация вещества, А на выходе из реактора — 0,4 кмоль/м³. Определить объемный поток исходного вещества, необходимый объем реактора вытеснения и объем рецикла.
• 4.2- 17. Процесс описывается реакцией типа Л —"R с константой скорости, равной 0,07 м³/(кмоль • с) и проводится в установке, состоящей из смесителя, реактора вытеснения и делителя (см. рис. 4.12). В делителе вещество А полностью отделяется от продукта и возвращается в реактор. Установка перерабатывает 16,8 кмоль/ч вещества А. Концентрация исходного вещества составляет 1,2 кмоль/м³. Степень превращения вещества Л в реакторе равна 0,85. Определить необходимый объем реактора вытеснения и концентрацию вещества А в рецикле, если объем рецикла составляет 5,76 м³/ч.
• 4.2- 18. Процесс описывается реакцией типа 2А —" R и проводится в установке, состоящей из реактора вытеснения и делителя (см. рис. 4.12) и вырабатывает 6 кмоль R в час. Концентрация вещества А в рецикле равна концентрации его на входе в установку и составляет 1,2 кмоль/м³. Концентрация вещества, А на выходе из реактора — 0,334 кмоль/м³. Объем реактора вытеснения равен 140 л. Определить объем рецикла и константу скорости.
• 4.2- 19. Процесс описывается реакцией типа 2А —> R, проводится в установке, состоящей из реактора вытеснения и делителя (см. рис.
• 4.12), и вырабатывает 7 кмоль/ч продукта R. Константа скорости реакции равна 0,07 м³/(кмоль • с). Концентрация вещества, А в рецикле концентрации его на входе в установку — 1,4 кмоль/м³. Объем реактора вытеснения — 120 л. Определить необходимый объем рецикла и концентрацию веществ, А и R на выходе из реактора.
• 4.2- 20. Процесс описывается реакцией второго порядка типа 2А —> —" R. (см. рис. 4.13). Производительность по продукту, А составляет 12,15 кмоль/ч. Объем реактора смешения — 300 л. Концентрация вещества, А в исходном потоке и рецикле равна 2,38 кмоль/м³. Концентрация вещества, А после реактора равна 0,92 кмоль/м³. Определить объем рецикла и константу скорости реакции.
• 4.2- 21. Процесс описывается сложной реакцией типа, А —" R; А —> S и проводится в установке, состоящей из реактора вытеснения и делителя (см. рис. 4.12). Константы скоростей реакции равны /с₂ = = 0,34 мин^-1; к₂ = 0,23 мин^-1. Степень превращения вещества, А в реакторе составляет 60%. Концентрация вещества, А в рецикле концентрации его на входе в установку равны 1,5 кмоль/м³. Объемный расход исходного вещества — 210 л/ч. Определить объем реактора вытеснения, объем рецикла и производительность по продукту R.

• 4.2- 22. Жидкофазный процесс, описываемый реакцией 2А —> Я с константой скорости реакции к = 6 • 10^-3 м³/(кмоль • с), проходит в РИВ с рециклом (см. рис. 4.12). Продукт в исходном растворе отсутствует. Концентрация вещества, А в исходном потоке и рецикле равна 2 кмоль/м³. Производительность реактора по продукту составляет
• 1,2 • 10^_3 кмоль/с. Степень превращения в реакторе — 80%. Определить объем реактора и объем рецикла. Определить объемную скорость рецикла и производительность системы по веществу А. Решить задачу для системы (см. рис. 4.13).
• 4.2- 23. Дана жидкофазная необратимая реакция 2А —" В с константой скорости к = 5,1 • 10^_3 м³/(кмоль • с) проводится в реакторе смешения объемом 0,8 м³. Концентрация вещества А в исходном потоке равна 1,65 кмоль/м³. Проанализировать, каким образом введение полного рецикла может повлиять на степень превращения и производительность по продукту, если общая нагрузка остается без изменений. Исходная скорость подачи У_исх = 2 • 10^_3 м³/с, а объемная скорость рецикла составляет 0,25 от исходной объемной скорости подачи.
• 4.2- 24. Процесс описывается реакцией типа 2А —" Я с константой скорости превращения вещества, А к = 3,1 м³/(кмоль • с). Процесс проводится в системе реактор с делителем (см. рис. 4.12). Производительность по продукту на выходе из системы составляет 2 кмоль/ч. Степень превращения вещества, А в реакторе — 0,6. Концентрация вещества, А в исходном потоке и рецикле равны 0,8 кмоль/м³. Определить объем рецикла, объем реактора вытеснения.
• 4.2- 25. Процесс описывается сложной реакцией типа, А —> Я —> S проводится в установке, состоящей из реактора вытеснения и делителя (см. рис. 4.12). Константы скоростей реакции равны к_г = 2,5 мин^-1, к₂ = 3,6 мин^-1. Концентрация вещества, А в рецикле и концентрация его на входе в установку равны 4,6 кмоль/м³. Объемный расход исходного вещества равен 240 л/ч. Определить объем реактора вытеснения для получения максимально возможного количества продукта Я, объем рецикла и производительность по продукту R.
• 4.2- 26. Процесс описывается сложной реакцией типа, А —" R, А —> S проводится в установке, состоящей из реактора смещения и делителя (см. рис. 4.13). Константы скоростей реакции равны /с_: = 2,4 мин^-1, к₂ = 1,8 мин^-1. Степень превращения вещества, А в реакторе составляет 65%. Концентрация вещества, А в рецикле и концентрация его на входе в установку равны 4,1 кмоль/м³. Объемный расход исходного вещества равен 210 л/ч. Определить объем реактора смешения, объем рецикла и производительность по продукту R.
• 4.2- 27. Процесс описывается сложной реакцией типа, А —"Я —> S проводится в установке, состоящей из реактора смещения и делителя (см. рис. 4.13). Константы скоростей реакции равны к_г = 1,8 мин^-1, к₂ = = 2,3 мин^-1. Концентрация вещества, А в рецикле и концентрация его на входе в установку равны 2,8 кмоль/м³, Объемный расход исходного вещества равен 250 л/ч. Определить степень превращения вещества

А и объем реактора, чтобы получить максимально возможно большее количество продукта R.

4.2−28. Реакция А R проводится в РИС с полным рециклом (рис. 4.14). Константа скорости прямой реакции к_г = 3,2 • Ю^-3 с^-1, а обратной — к__г = 0,8 • 10^-3 сг¹. В исходном потке вещество R отсутствует. Общая скорость подачи У₀ = 1 • 10~³ м³/с. Отношение объемной скорости рецикла к общей скорости подачи равно 0,2. Объем реактора равен 1,6 м³. Начальная концентрация вещества А равна С_Аисх = = 1,05 кмоль/м³. Определить концентрацию продукта и производительность системы по продукту.

Рис. 4.14. Схема реакционного узла с полным рециклом:

См — смеситель, Р — реактор.

• 4.2- 29. Процесс, описываемый сложной обратимой реакцией типа, А R S, где R — целевой продукт, проходит в РИС с полным рециклом (см. рис. 4.14). Константы скоростей реакций: к_г = 0,8 • КНс^-1; fc_i = к₂ = к_₂ = 0,3 • 10~³ с^-1. Объем реактора — 1,5 м³, отношение объемной скорости рецикла к скорости подачи У_рец / У₀ = 0,19. Начальная концентрация исходного вещества С_Аисх =1,1 кмоль/м³.Скорость подачи У₀ = 1 • 10″³ м³/с. Определить концентрацию продукта и производительность системы по продукту для системы с рециклом и РИС без рецикла.
• 4.2- 30. Процесс, описываемый сложной реакцией типа A Я, 2А ^ —" S + D, где к_г = 1 • 10^_3 с^-1, к₂ = 1 * 10~² м³/(кмоль • с), проводится в установке с полным рециклом (см. рис. 4.14) Используется реактор смешения объемом 2 м³. Производительность системы по исходному веществу 1 кмоль/с. Концентрация вещества, А в исходном потоке равна 2 кмоль/м³. Отношение объемной скорости рецикла к общей скорости подачи — 0,15. Общая скорость подачи V₀ = 1 • 10~³ м³/с. Сравнить производительность системы по продукту R с полным рециклом и без рецикла.
• 4.2- 31. Процесс, описываемый сложной обратимой реакцией типа, А —> R S, где R — целевой продукт, проводится в РИС с полным рециклом (см. рис. 4.14). Константы скорости реакций равны к_г = 5,1 х х 10³ с^-1; к₂ =3,2 • 1СУ³ с^-1; к_₂ = 1,7 • 10~³ сг¹. Объем реактора — 0,8 м³. Отношение объемной скорости рецикла к общей скорости подачи У_рец / / У₀ = 0,17. Начальные концентрации исходных веществ и продукта С_Аисх = 1>65 кмоль/м³; С_5исх = 0,12 кмоль/м³; С_Кисх = 0. Плотность реакционной смеси остается постоянной. Скорость подачи У₀ = 2 • 10~³ м³/с.

Определить производительность системы по продукту R и концентрацию продукта выходящем потоке.