книги из ГПНТБ / Холланд Ф. Химические реакторы и смесители для жидкофазных процессов

В этой главе для простоты рассмотрена система, включающая только три аппарата. Схему расчета концентраций в системе из трех аппаратов можно по аналогии использовать для анализа

2 у = ух+ у2+ У з

Среднее время пребывания (в с) для системы в целом соста­ вляет

2 0= 01-f-02“Ь 03

Для простоты рассмотрим такие системы, в которых объем смейителей последовательно увеличивается или уменьшается на одну и ту же величину AF, т. е. системы, для которых справедливы соотношения:

Разделив уравнение (V,19) на величину потока Уж, получим:

У2 У1 | АУ

Уж Уж Уж

Это уравнение перепишем в виде

91

Аналогично, разделив уравнение (V,20) на Уж, получим:

t-io'3,c

Рис. V-3. Изменение во времени относительной концентрации вещества *з, tlcl.o в третьем аппарате каскада пз трех смесителей при неизменном сред­ нем времени пребывания жидкости в первом смесителе 0Х= 1200 с (пунктп-

ром показана. линия максимальных концентраций):

■Сз. ilcl.o от времени при постоянном среднем времени пребывания

S2

На рис. V-4 показано влияние изменения объемов смесителей на форму кривой зависимости с3, ,/с1>0 от t при неизменном сред­ нем времени пребывания для системы в целом 20 = 3600 с.

Кривые на рис. V-4 справедливы для любого сочетания вели­ чин потока и объемов, обеспечивающего 20 = 3600 с и отно­ шение 20/0^ равное соответственно 4,8; 3,0 и 2,25. Аналогичные кривые можно построить для любых значений 20.

Рпс. V-4. Изменение во времени относительной концентрации вещества сз , r/ci,o в третьем аппарате каскада из трех смесителей при неизменном

Из рис. V-4 видно, что время достижения максимальной отно­ сительной концентрации c3i </cli0 одно и то же для любой величины потока, если 20 постоянна.

На рис. V-5 дана зависимость максимальной величины отно­ сительной концентрации (c3t </с1,0)тах от безразмерного соотно­ шения 20/0!■ Как видно из уравнения (V,25), в случае смесите­

вают, что низкие значения (с3> t / c i , o) max можно получить путем уменьшения объема системы.

На рис. V-6 показана зависимость отношения времени дости­ жения максимальной концентрации в третьем смесителе к среднему

93

времени пребывания 0Х в первом смесителе от отношения объемов третьего п первого смесителей. Как н на рис. V-5, кривые

94

РЕАКТОРЫ С МЕШАЛКАМИ

Простейший реактор с мешалкой представляет собой сосуд,

снабженный мешалкой. Реакторы с мешалками разделяют на трп основных класса: периодического, непрерывного и полуперподического действия.

Реакторы периодического действия применяют почти исклю­ чительно для жидкофазных реакций. Реагенты загружают в пу­ стой сосуд, а после завершения реакции содержимое выгружают из него. В системах периодического действия температура и да­ вление, так же как и состав смеси, могут изменяться во времени. Однако в любой момент времени в системе с хорошим перемешпваипем эти параметры можно считать постоянными во всем объеме реактора.

Реакторы непрерывного действия с мешалками работают в стационарных условиях, так что параметры в любой точке системы не изменяются во времепп. Реагенты непрерывно посту­ пают в реактор, а продукты непрерывно отводят из него. В си­ стемах с хорошим перемешиванием поддерживается одинако­ вая концентрация во всем объеме аппарата. Такая система пред­ ставляет собой предельный случай обратного перемешивания. Высокое значение движущей силы на входе в реактор мгновенно понижается на выходе из реактора.

Так как система в реакторе периодического действия характе­ ризуется средним значением движущей силы, очевидно, что для достижения той же степени превращения реакторы непрерыв­ ного действия с мешалками должны иметь существенно больший объем, чем реактор периодического действия. Однако реакторы непрерывного действия с мешалками имеют ряд преимуществ, которые компенсируют этот недостаток. Управление ими проще и они требуют меньших затрат труда при обслуживании.

96

Реакторы полупериодического действия применяют, например, в производстве додецилбензолсульфокислоты. Вначале в реактор загружают додецилбензол, а 20%-ный олеум непрерывно под­ питывают в систему. Скорость подачи 20%-ного олеума можно регулировать, чтобы обеспечить постоянную температуру реак­ ции в течение процесса сульфирования. В этом случае скорость процесса определяется скоростью подачи олеума, так как хими­ ческая реакция протекает почти мгновеино. Продукты реакции выгружают из системы по завершении реакции.

В этой главе будут рассмотрены только реакторы с гомоген­ ными жидкими смесями, для которых в ходе процесса сохра­ няется постоянство объема реакционной массы. Однако многие из рассмотренных общих принципов применимы к другим реакци­ онным системам.

КИНЕТИКА ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИИ

К сожалению, теоретические основы поведения химических реакций разработаны недостаточно полно. Так, порядок * и кон­ станта скорости химической реакции не могут быть теоретически предсказаны. Проектировщик должен довольствоваться эмпири­ ческим уравнением скорости реакции, которое удовлетворительно описывает процесс.

Реакции первого порядка. Реакция первого порядка — такая реакция, скорость которой пропорциональна концентрации од­ ного из реагентов. Реакция первого порядка может быть мономолекулярной, как, например:

А — >- R + S

или бимолекулярной:

Л + В — »- Л + 5,

где один реагент, например В, взят в таком избытке, что его кон­ центрация остается практически постоянной в ходе реакции.

Скорость W расходования реагента А в реакции первого порядка при постоянном объеме системы описывается уравнением:

* Необходимость определения порядка реакцип отпадает, еслп кинети­ ческое уравнение выводится па основе представлений о механизме реак­ цип. — При.чеч. ред.

Концентрацию вещества А в любой момент времени можно выразить через его начальную мольную концентрацию сА> о

и мольную концентрацию продуктов R или S:

CA ~ CA , 0 ~ CR (VI,3)

Из уравнений (VI,2) и (VI,3) можно составить следующее уравнение:

dcп

~ d t ~ = k (CA, 0 ~ Cr )

ных моментов времени и если подсчитанная величина константы скорости реакции к в уравнении (VI ,4) остается практически постоянной, то реакция имеет первый порядок.

С другой стороны, уравнение (VI,1) можно записать в виде:

выражается прямой линией с тангенсом угла наклона, равным 1 для реакции первого порядка.

Реакции второго порядка. Реакция второго порядка — это такая реакция, скорость которой пропорциональна произведению кон­ центраций двух реагентов. Реакция второго порядка может быть бимолекулярной вида

А В — >■ R + 5

или

2 А — > R + S

Уравнения скорости этих реакций в системах с постоянными объемами соответственно имеют вид:

98

Для реакции второго порядка зависимость lg W от lg сА вы­ ражается прямой линией с тангенсом угла наклона, равным 2.

Реакция второго порядка может быть тримолекулярной вида

А + В + С ---- > R + S

где один из реагентов (С) присутствует в таком большом избытке, что его концентрация остается практически постоянной в ходе реакции.

Реакции третьего порядка. Тримолекулярная реакция является реакцией третьего порядка, когда ее скорость пропорциональна произведению концентраций трех реагентов. В этом случае ско­ рость реакции при постоянном объеме системы задается уравне­ нием

ностыо. Действительно, как показано экспериментально, на прак­

До сих пор были рассмотрены реакции, протекающие только в одном направлении. Однако многие реакции обратимы и равно­ весие достигается, когда скорости прямой и обратной реакции равны.

Обратимые реакции. С помощью методов химической термодина­ мики можно рассчитать максимальный выход, достигаемый при осуществлении реакции в системе. Можно значительно увеличить скорость химической реакции с помощью катализаторов, но это не меняет равновесную степень превращения, которая остается той же самой при каталитической и некаталитической реакциях. В большинстве случаев проектировщик задается максимальными степенями превращения несколько меньше равновесных, так как реакции в промышленном масштабе необходимо проводить в пре­ делах разумного интервала времени. Знание константы термоди-

■100