Реактор идеального вытеснения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей среды движется по высоте (длине) реактора параллельно другим элементам, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементами объема.
На рис. 2 схематично показана изменение степени превращения хА, исходных концентраций СА и других параметров в реакторе идеального вытеснения. Материальный баланс такого реактора при Gнач = 0 запишется в виде:
Gпр= Gух+ Gхр (7)
 (8)
 (9)
 (10)
| 
Рис.2. Схема реактора идеального вытеснения.
|
После подстановки значений составляющих материального баланса в уравнение (7) и преобразований получим:
(11).
Приведенное уравнение с начальным условием V=0, СА= СА0 для некоторых видов простых химических реакций имеет аналитическое решение. В таблице 2 приведены решения уравнения (11) как расчетные формулы для реактора, работающего в режиме идеального вытеснения при проведении в нем необратимых химических реакций, когда реакционный объем остается постоянным.
Таблица 2. Расчетные уравнения для реактора идеального вытеснения
| Схема реакции | Кинетическая модель | Расчетные уравнения |
| 
| 
|
|
|  при 
| 
|
| 
 
| 
|
Продолжение таб.2
| 
| 
|
| 
| 
|
| 
| 
|
Примеры расчетов.
Пример 5.
Определить объем реактора идеального вытеснения для реакции протекающего без изменения объема реакционной массы.
Дано:
реакция А → S;
порядок реакции n=1;
объемный расход исходного вещества GV = 30 л/мин;
начальная концентрация исходного вещества СА0= 0,2 моль/л;
константа скорости реакции k= 0.25 мин -1;
степень превращения xA = 0,82.
Решение.
По базовому уравнению РИВ определяем время реакции:
Рассчитываем объем РИВ:
|
|
; 
.
Пример 6.
Определить производительность реактора по продукту R рассчитать объем реактора идеального вытеснения для полученной производительности, если данная реакция проводиться в РИС-Н.
Дано:
реакция 2А → R;
порядок реакции n=2;
объемный расход исходного вещества GV = 3,6 м3/ч;
начальная концентрация исходного вещества СА,0= 0,5 кмоль/м3;
константа скорости реакции k= 2,3 л/(моль∙мин);
VРИС-Н= 0,4 м3 .
Решение.
Определим время пребывания в реакторе смешения:
Из базового уравнения для реактора смешения находим
, где 
, находим значение 
Рассчитываем степень превращения вещества А:
Находим производительность по продукту R:
ПR = G0 СА,0 хА /vA =3,6∙0,5∙0,7/2=0,63кмоль/ч.
Рассчитываем время пребывания в реакторе идеального вытеснения(см. таб.2):
Определяем объем реактора вытеснения по формуле:
Пример 7.
Определить мольную нагрузку на реактор по веществу А и степень превращения в реакторе вытеснения.
Дано:
реакция
порядок реакции n=2;
объемный расход исходного вещества GV = 6 м3/ч;
концентрация продукта R на выходе из реактора равна 2.5 кмоль/м3;
константа скорости реакции k1= 0,3 мин-1, k2= 0,2мин-1;
VРИВ = 300 л.
Решение.
Определяем мольную нагрузку на реактор
Неизвестную начальную концентрацию вещества А на входе в реактор определяем из уравнения:
.
Находим время пребывания:
Рассчитываем начальную концентрацию вещества А:
Находим мольную нагрузку на реактор:
Определяем концентрацию вещества А на выходе из реактора исходя из базового уравнения для реактора вытеснения:
Интегрируя это уравнение и решая относительно СА, получаем:
|
|
Рассчитываем степень превращения вещества А:
Задачи для самостоятельного решения
1. Жидкофазная реакция типа А→ R→S имеет константы скоростей, равные к1=2 с-1 и к2= 0,8с-1. 4.5 ч-1.Объемный расход исходного вещества А с концентрацией 1,8 моль/л составляет 18 м3/ч. Рассчитать объем реактора вытеснения для получения максимального количества вещества R, селективность и производительность по продукту R.
2. В непрерывном реакторе смешения проводится последовательная реакция типа А→R→S с константами скоростей к1=0,5 ч-1 и к2=0,8 ч-1. Исходная концентрация вещества А равна 5 кмоль/м3. Продукты R и S на входе в реактор отсутствуют. Рассчитать необходимый объем реактора вытеснения, степень превращения вещества А, селективность и выход целевого продукта.
3. 
Процесс описывается параллельной реакцией типа
с константами скоростей к1= 0,28 л/(моль/мин) и к2 = 0,12 л/(моль/мин). Процесс проводится в реакторе вытеснения объемом 140 л. Поток вещества А поступает с концентрацией 1,6 моль/л. Степень превращения вещества А составляет 0,7. Определить производительность реактора по продукту R.
4. Процесс описывается параллельной реакцией типа
с константами скоростей к1= 0,28 мин-1 и к2 = 0,12 мин-1. Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе вытеснения. Определить объем реактора и концентрацию вещества S при условии, что производительность по продукту R составляет 4,8 кмоль/ч.
5. 
Процесс описывается параллельной реакцией типа
с константами скоростей к1= 0,28 л/(моль/мин)и к2 = 0,12 л/(моль/мин). Объемный поток вещества А с концентрацией 1,6 моль/л равен 100 л/мин. Объем реактора вытеснения - 0,4 м3 Определить производительность реактора продукту R и селективность процесса по веществу S.
|
|
6. Процесс описывается реакцией первого порядка типа А → 2R с константой скорости к = 0,0024 с-1. Исходная концентрация вещества А - 1,6 моль/л. Объемный расход вещества А – 3,6 м3/ч. Заданная степень превращения по веществу А равна 0,86. Определить производительность реактора вытеснения по продукту R и его объем.
7. Процесс описывается реакцией второго порядка с константой скорости 0,023 м3/(кмоль∙ с). Исходная концентрация вещества А составляет 0,6 моль/л, объемный расход вещества А -3,6 м3/ч. Определить производительность реактора вытеснения объемом 200 л по продукту R.
8. Жидкофазная реакция типа А → 2R имеет константу скорости, равную 0,12 мин-1. Концентрация вещества А равна 3,0 моль/л. Реакция осуществляется в реакторе вытеснения объемом 0,3 м3. Заданная степень превращения 0,88. Рассчитать производительность по продукту R.
9. Жидкофазный процесс описывается сложной реакцией.
А+ 3В = D+S
2A=R
2R = K.
10. Исходная смесь, в которой отсутствуют продукты реакций, подаются с объемным расходом 0,005л/с и концентрацией вещества А, равной 10 кмоль/м3. На выходе из реактора концентрации веществ равны СВ =2, СА=5, СR=1, СS=3 кмоль/м3. Определить расход реагента В.
11. Процесс описывается реакцией типа А + В→ R с константой скорости k = 0.28 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,6 моль/л и вещества В с концентрацией 2,0 моль/л равны 100 л/мин. Процесс проводится в реакторе смешения объемом 1,2 м3. Концентрация вещества А на входе в реактор составляет 3,4 моль/л. Определить производительность реактора по продукту R.
12. Процесс описывается реакцией типа А + В → R с константой скорости k = 0,54 л/(моль/мин). Объемные потоки вещества А с концентрацией 1,8 моль/л и вещества В с концентрацией 2,7 моль/л равны 100 и 80 л/мин. Производительность реактора по продукту R составляет 8,64 кмоль/ч, концентрация продукта R на выходе - 0,8 моль/л. Определить требуемый объем реактора смешения
13. Процесс описывается реакцией типа 2А → R с константой скорости k = 0,64 л/(моль/мин). Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,8 кмоль/м3, производительность реактора по продукту R – 3,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения.
14. Процесс описывается реакцией типа А → 2R с константой скорости k = 0,24 мин-1. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А - 1,8 кмоль/м3, производительность реактора по продукту R – 5,8 кмоль/ч. Определить требуемый объем реактора смешения и объемный расход исходной смеси.
15. Процесс описывается обратимой реакцией первого порядка типа 2А 
R с константами скоростей: прямой k1 = 61,4 м3/(кмоль/ч) и обратной k2 = 2,4 ч-1 реакций. Заданная степень превращения вещества А составляет 0,8, исходная концентрация вещества А -1,4 моль/л. Объем реактора смешения равен 0,22 м3. Определить производительность реактора по продукту R за час.