Реакторы идеального смешения непрерывного действия

Непрерывный реактор идеального смешения (РИС-Н) – это реактор с мешалкой, в который непрерывно подают реагенты и выводят из него продукты реакции (рис. 2.7). Благодаря интенсивному перемешиванию потоков мгновенно устанавливается одинаковая по всему объему реактора концентрация реагента CA, равная его концентрации на выходе из реактора (рис. 2.7).

Резкое изменение концентрации при выходе реагентов в реактор происходит за счет мгновенного смешения поступающих реагентов с реакционной массой, уже имеющейся в реакторе, где концентрация компонента А значительно ниже, чем в подаваемой реакционной смеси.

Рис. 2.7 – Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н)

Величина перепада между начальной CAo и конечной концентрацией CA исходного реагента зависит при прочих условиях от величины скорости химической реакции. Чем она выше, тем меньше концентрация реагента А в реакторе и больше перепад CAo – CA. С другой стороны, при одной и той же скорости реакции величина перепада зависит от времени пребывания реагентов в реакторе, . Чем больше , тем полнее проходит реакция, и тем ниже концентрация реагента, CA, в реакционной смеси (рис. 2.8). Точка, соответствующая входу реагентов в реактор, нанесена на оси абсцисс правее начала координат, что дает более наглядное представление об изменении концентрации при входе реакционной смеси в реактор.

y – координата места; y 0 – координата места, характеризующая вход реагентов в реактор.

Рис. 2.8 – Концентрация реагента А в РИС-Н при различном времени пребывания реагентов в реакторе (τ1<τ2<τ3)

Так как концентрация реагентов в проточном реакторе идеального смешения одинакова во всех точках реакционного объема, то постоянны по объему и другие параметры – степень превращения и скорость реакции (рис 2.9).

Поэтому материальный баланс по какому-либо компоненту, необходимый для получения характеристического уравнения, составляют в конечных величинах (по разности концентраций реагента на входе в реактор и выходе из него), то есть используют уравнение (1.7):

Из уравнения (2.46) видно, что условием стационарности процесса является равенство скорости конвективного переноса вещества А и скорости его химического превращения.

а – степени превращения хА; б – скорости процесса rА

Рис. 2.9 – Изменение параметров в РИС-Н

При стационарном режиме В_Анак. = 0, и

(2.46)

Найдем значения величин, входящих в уравнение (2.46). Так по уравнению (1.6)

,
где
;	(2.47)
,	(2.49)
где Vr – объём реактора.

Подставляя (2.47-2.49) в (2.46), получаем:

;

(2.50)

или, учитывая, что ВA o = CA o ×V, где V – объемный расход реагентов, имеем:

=

(2.51)

Отношение Vr / V – это условное время пребывания,  (см. уравнение (2.17)).

Тогда

(2.52)

Это характеристическое уравнение реактора идеального смешения. Для более общего случая, когда начальная степень превращения xAo не равна нулю, оно записывается

(2.53)

Для простой необратимой реакции n -го порядка с учетом уравнения (2.7) уравнение (2.52) принимает вид:

(2.54)

Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИС-Н).

Для реакции нулевого порядка: C_A0x_A = C_A0 - C_A

(2.55)

Для реакции первого порядка

(2.56)