Сравнение реактивов различного типа

8 Сравнение реактивов различного типа. 82

8.1 Оценка эффективности реакторов по их объемам при заданной конверсии. 83

8.2 Сравнение эффективности реакторов по выходу продукта при заданной конверсии. 84

8 Сравнение реакторов различного типа

Выбор типа реактора для проведения того или иного химического процесса зависит от многих показателей (возможность поддержания необходимых режимных параметров, достижение минимальных габаритов реактора при заданных конверсии и селективности или, наоборот, достижение максимальных конверсии и селективности при заданных габаритах реактора, обеспечение максимального выхода целевого продукта или наибольшей единичной производительности реактора и т. д.).

Практический опыт эксплуатации реакторов различного типа показывает, что реакторы периодического действия имеют преимущества перед реакторами непрерывного действия при осуществлении относительно малотоннажных (< 10000 т/год) процессов, характерных для фармакологии, бытовой химии и т. п., особенно если процессы связаны с осуществлением нескольких последовательных стадий. Важнейшее преимущество непрерывных процессов - эффективность при осуществлении крупнотоннажных процессов.

При осуществлении процессов под давлением и при высокой температуре преимуществом обладают относительно небольшие реакторы периодического действия и трубчатые реакторы, особенно эффективные в случае, когда необходима переменная температура в процессе получения продукта, что достигается за счет поддержания различной температуры по ходу движения реагента. Реакторы периодического действия редко находят применение при осуществлении реакций в газовой фазе.

При необходимости обеспечения наибольшего времени контакта преимуществом обладают периодические реакторы, для реакторов с обратным перемешиванием характерны меньшие времена контакта; трубчатые реакторы, как правило, характеризуются наименьшими временами контакта. Наиболее острым пиком распределения времени пребывания обладают реакторы периодического действия, затем трубчатые реакторы и каскадные реакторы с обратным перемешиванием.

8.1 Оценка эффективности реакторов по их объемам при заданной конверсии

Пусть конверсия X_is и расход F_i0 заданы. Будем считать, что наибольшей эффективностью по отношению к рассматриваемому процессу обладает тот тип реактора, у которого объем, необходимый для обеспечения заданной конверсии, наименьший.

Согласно (6.2) объем реактора идеального перемешивания

;

.                                   (8.1)

Согласно (7.1) объем трубчатого реактора

,      .                                (8.2)

Из (8.1), (8.2) можно заключить, что трубчатый реактор идеального вытеснения более эффективен, чем реактор идеального перемешивания (V_T < V_b) в случае обычных реакций, когда функция – R_i(X_i) - убывающая (). В случае автокаталитических реакций (– R_i(X_i) - возрастающая функция) более эффективен реактор идеального перемешивания (V_T > V_b). Если R_i от X_i не зависит, то эффективность реакторов одинакова (V_T = V_b). Если функция – R_i(X_i) имеет максимум или минимум, то в области конверсий, где производная , процесс целесообразно осуществлять в реакторе идеального вытеснения, а области конверсий, где производная , - в реакторе идеального перемешивания, т.е. применять систему из двух реакторов (см. рис. 8.1, а).

Так, например, если имеет место единственная реакция А₁ → А₂, R₁ = - r = - kC₁C₂, то скорость реакции имеет максимум (а 1/r - минимум) при с₁ = (с₁₀ + с₂₀)/2, так как для данной реакции с₁ + с₂ = с₁₀ + с₂₀. Принимая во внимание (8.1) и (8.2), можно видеть (рис. 8.1, а), что в случае реализации всего процесса (в диапазоне 0 – X_1s) в реакторе идеального перемешивания объем реактора будет наибольший (V = V_b = X_1s/r_s). Объем реактора можно уменьшить, если реализовать процесс в реакторе идеального вытеснения (V = V_T = площадь под кривой 1/r = f(X₁) в диапазоне 0 – X_1s). Наименьший же суммарный объем будет иметь место в случае осуществления процесса в две стадии (V = заштрихованной площади): в реакторе идеального перемешивания до достижения конверсии Х₁ = X_1m, а затем в трубчатом реакторе (рис. 8.1, б).

8.2 Сравнение эффективности реакторов по выходу продукта при заданной конверсии

Как правило, в химическом реакторе в результате протекания параллельных реакций  исходные реагенты могут расходоваться на образование побочных продуктов. В этом случае наиболее важным показателем эффективности работы реактора является селективность, отражающая долю вещества, прореагировавшего в целевой реакции.

Пусть, например, целевая (идеальная) реакция описывается уравнением . В этом случае в соответствии с (2.11) и (2.16) суммарную и мгновенную селективности для проточного реактора можно представить соотношениями

;

.

Откуда в соответствии с определением степени превращения (2.9) , , получаем

;                                             (8.3)

.                                             (8.4)

В соответствии с (8.4)

.                                  (8.5)

Подставляя (8.5) в (8.3), для трубчатого реактора можно получить

.                                      (8.6)

Для реактора идеального перемешивания (так как s_2,1 = const = (s_2,1)_s)

.                                  (8.7)

Вследствие постоянства концентрации по объему реактора, мгновенная селективность в реакторе идеального перемешивания также постоянна по объему реактора и равна мгновенной селективности на выходе.

В соответствии с (2.17) выход , следовательно,

;                                      (8.8)

.                                        (8.9)

Мгновенная селективность в общем случае может быть вычислена непосредственно из кинетических соотношений, так как  (см. (3.7), (3.9)). Сравнение эффективности разных типов реакторов по выходу продукта при заданной конверсии удобно проводить графически, если учесть, что в соответствии с (8.8) и (8.9) выход равен площади поверхности под кривой s_2,1(Х₁) в диапазоне 0 – х_1s для трубчатого реактора идеального вытеснения (штриховка на рис. 8.2 с наклоном вправо) и прямоугольнику X₁s_2,1(X₁) для реактора идеального перемешивания (штриховка на рис. 8.2 с наклоном влево).

Можно видеть, что преимущество трубчатого реактора по сравнению с реактором идеального перемешивания (и наоборот) зависит от вида функции мгновенной селективности s_2,1(X₁):

1) если зависимость s_2,1(X₁) возрастающая (, ), то (рис.8.2, а) преимущество имеет реактор идеального перемешивания, так как суммарная селективность при той же конверсии (а следовательно, и выход целевого продукта) для этого реактора больше чем для трубчатого;

2) если зависимость s_2,1(X₁) убывающая (,), то преимущество имеет реактор идеального вытеснения, так как суммарная селективность при той же конверсии для этого реактора больше чем для реактора идеального перемешивания трубчатого (рис.8.2, б);

3) если зависимость s_2,1(X₁) имеет максимум ( при ), то в области  () преимущество имеет реактор идеального перемешивания, а в области  () - реактор идеального вытеснения (рис. 8.2., в). В этом случае целесообразно применять систему из двух последовательных реакторов;

4) если зависимость s_2,1(X₁) имеет минимум ( при ), то в области  () преимущество имеет реактор идеального вытеснения, а в области  () - реактор идеального перемешивания (рис. 8.2, г). В этом случае целесообразно применять также систему из двух последовательных реакторов, но последовательность должна быть обратной;

5) если s_2,1 не зависит от X₁, то селективность реакторов и того и другого типа одинакова.