Основные требования к химическим реакторам

1.

Основные требования к химическим
реакторам
1. Максимальная производительность
2. Максимальная степень превращения реагента
3. Максимальная селективность (избирательность)
4. Устойчивость процесса и его управляемость
5. Возможность длительной непрерывной работы
6. Минимальные энергетические затраты
Основной критерий – экономический, который сводит все
показатели к их оптимальным значениям.
1

2.

Характеристики системы
Степень
превращения
Для i – исходного реагента степень его превращения равна
( при протекании реакции без изменения объема )
N 0i - N i
xi
N 0i
x1
- ключевое вещество
N 01 x 1 N 0 i x i
;
1
i
2
c0i - ci
или xi
c0i
i N 01
i c01
xi
x1
x 1;
1 N 0 i
1 c0 i
i
ci c0 i - c01 x 1
1

3.

Характеристики каталитической системы
Селективность (для сложных реакций)
Последовательная схема
Параллельная схема
r1
r1
r2
A
B
C
А
r2
r3
Целевой продукт - В
В1
В2
В3
Целевой продукт – В1
• Дифференциальная селективность (избирательность)
реакции в элементе реактора равна отношению скорости образования
целевого продукта к суммарной скорости превращения исходного
m
n
реагента –
S
rj / ri
j 1
i 1
n - число маршрутов расходования исходного реагента
m - число маршрутов, по которым образуется либо расходуется целевой продукт
3
Sпосл (r1 - r2 ) / r1
Sпар r1 / r1 r2 r3

4.

Характеристики каталитической системы
• Интегральная селективность процесса равна отношению количества
целевого продукта на выходе из реактора к количеству превращенного
исходного реагента
S
c Bi
c A0 - c A
Sпосл cB /( c A0 - c A )
Sпар cB1 /( c A0 - c A )
Выход целевого продукта - доля исходного реагента, превратившегося
при прохождении всего слоя катализатора в целевой продукт:
E
4
cB i
c
Время контакта
0
A
S x
- отношение объема катализатора к объемной скорости
подачи реакционной смеси:
V
W
сек

5.

Характеристики каталитической системы
• Мощность - количество продукта, произведенное в реакторе за
год (для многотоннажных продуктов 10-100 тыс. тонн в год )
• Производительность
A
W co S x
V
единицы объема реакционного пространства
(или единицы веса катализатора)
co E
kg
l cat h
В настоящее время реализация процесса может быть перспективна,
если достигается производительность
A 0 .1
5
kg
l cat h

6.

Характеристики каталитической системы
Адиабатический
ΔTаd
Q co x
cp
разогрев
Q – теплота реакции, дж/моль
cо – концентрация реагента на входе в реактор, моль/м3
х – степень превращения реагента
cр – теплоемкость газовой смеси
Для адиабатического слоя катализатора
Tout Tin ΔTad
6

7.

Математические модели лабораторных реакторов
T = const
• Реактор периодического действия (batch reactor)
d ci
= - νi r
dt
Проточные реакторы
• Реакторы идеального вытеснения (plug flow reactor)
d ci
= - νi r
dτ
• Реактор идеального смешения (continious stirred tank reactor)
ci - ci 0
= - νi r
τ
7

8.

• Основные характеристики :
- активность
- селективность
- стабильность
• Характеристики активности
-
x - степень превращения исходного реагента при одинаковых
реакционных условиях
- - время контакта при постоянных составе реакционной смеси
и степени превращения исходного реагента;
- k - константа скорости реакции
РИВ:
РИC:
8
dc
- k c,
d
c c0
- k c,
dx
k (1 - x ),
d
x
k (1 - x ),
r =kc
x 1 - e - k , k - ln(1 - x ) /
k
x
,
1 k
x
k
(1 - x )