Применение кинетических моделей для выбора условий проведения реакции Экспериментальные установки, использующиеся для проведения кинетических исследований. Идеальные реактора

После первого этапа кинетического исследования, литературного поиска данных о механизме и кинетике изучаемой реакции переходят к этапу выбора вариантов проведения процесса. На этом этапе необходимо выбрать установку для экспериментального исследования. Так как нам нужна зависимость скорости реакции от параметров

r = f(P, T, C)

выбирают идеальные установки, для которых уравнения являются простыми, так называемые модельные реактора.

1. ИПР (РПД) – идеальный периодический реактор (реактор периодического действия);

2. РИВ – реактор идеального вытеснения;

3. РПС – реактор полного смешения или РИС.

РПД – это реактор, действие которого заключается в загрузке всех реагентов, проведении реакции в режиме интенсивного перемешивания, то есть в отсутствии диффузионного торможения.

.

В реакторе поддерживается изотермический режим:

.

A + B → C + D

Концентрация изменяется во времени.

В гетерогенной среде:

.

Характеристическое уравнение – уравнение зависимости времени реакции от C, n, F, X_A, X_i^A.

;

;

.

Характеристическое уравнение для РПД:

.

Поскольку V = const:

.

Для гетерогенных:

РИВ – реакционная масса движется вдоль оси, вытесняя предыдущие слои с одинаковой линейной скоростью, при этом отсутствует диффузионное торможение смеси стенками реактора. Концентрация вещества изменяется по длине реактора. Состав реакционной смеси постоянен во времени.

Здесь оперируют мольными потоками.

Условие идеальности:

изотермический реактор

стационарный режим

Для расчета характеристического уравнения используем следующие формулы:

;

;

;

.

В РИВ изменяется n_i и V, тогда уравнение для скорости:

• для гомогенных систем:

• для гетерогенных систем:

.

Преобразуем уравнение .

Проинтегрируем:

.

Для гомогенных:

.

Для гетерогенных:

.

Первый случай: W_i0 = const, тогда:

Истинное время пребывания:

Характеристическое уравнение РИВ при условии W₀ = const:

Характеристические уравнения для РПД и РИВ одинаковы!

Второй случай: W_i0 ≠ const, тогда:

;

Условное время:

.

Объемная скорость:

; .

Уравнения применяются для:

• однослойных, многослойных и трубчатых реакторов с фильтрующими слоями катализатора;

• реакторов с движущимся катализатором и с потоком взвеси катализатора;

• реакторов с заторможенным кипящим слоем катализатора.

Для жидкофазных реакций применяются насади. В этом случае уравнение имеет вид:

.

Чтобы установить в реакторе стационарный режим, необходимо пропустить через реактор 3-5 объемов смеси заданного состава.

РПС – реактор представляет собой модель, объединяющая РИВ и РПД. Это проточный реактор непрерывного действия, диффузионное торможение отсутствует за счет интенсивного перемешивания.

C_i0 моментально изменяется до C_i и одинаково во всем объеме.

Условие стационарности:

.

Перемешивание:

.

Изотермичность:

.

Так как здесь идет и условие стационарности V = const, τ = const, то:

.

Это уравнение неинтегральное и безградиентное.

Первый случай: W₀ = const:

;

.

Второй случай: W₀ ≠ const:

.

Для этого реактора характерно турбинное течение потока реагента. Оно наблюдается, когда скорость циркуляционных движений газа или жидкости по высоте и сечению намного больше скорости линейного движения по оси.

В реакторе поддерживается изотермический режим. Кипящий слой катализатора не должен быть заторможен какими-либо насадками катализатора, а высота слоя должна быть небольшой. Скорость потока газа в 2…4 раза должна превышать критическую скорость начала взвешивания.