8.3.2. Реактор идеального вытеснения (рив)

Он представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме (рисунок 8.8).

Каждый элемент, условно выделенный двумя плоскостями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твердый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешиваясь ни с предыдущими, ни со следующими за ним элементами.

Рис. 8.8. Схема работы реактора идеального вытеснения

Естественно, что при проведении реакции, в которой участвуют два или более реагентов, перемешивание участников реакции необходимо для ее осуществления, иначе будет невозможным контакт между разноименными молекулами, в результате которого и происходит элементарный акт реакции.

Если в реакторе идеального смешения перемешивание происходит в каждой точке объема, и параметры процесса выравниваются по всему объему реактора, то в реакторе идеального вытеснения перемешивание является локальным: оно происходит в каждом элементе потока, а между соседними по оси реактора элементами перемешивания нет.

Идеальное вытеснение предполагает наличие следующих допущений:

– движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей;

– отсутствует обусловленное любыми причинами перемешивание в направлении оси потока;

– в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры процесса выравниваются (концентрация, температура, давление).

В реальном реакторе приблизиться к режиму идеального вытеснения можно, если реакционный поток турбулентный, и при этом длина канала существенно превышает его поперечный размер (например, для цилиндрических труб должно быть L/D > 20).

В соответствии с принятыми допущениями общее уравнение материального баланса (8.11) для элементарного объема проточного реактора можно упростить. Прежде всего, в качестве элементарного объема в этом случае можно представить объем, ограниченный двумя находящимися друг от друга на бесконечно малом расстоянии dz параллельными плоскостями перпендикулярными оси канала z (рисунок 8.8). В этом элементарном объеме в соответствии с третьим допущением и . Следовательно, конвективный перенос происходит только в направлении оси z. Согласно второму и третьему допущениям, диффузионный перенос в реакторе идеального вытеснения отсутствует. Если рассматривать только стационарный режим (а в таком режиме работают подавляющее число реакторов), то уравнение (8.14) примет следующий вид:

. (8.19)

В реакторе с постоянной площадью поперечного сечения канала и линейная скорость потока u_z будет постоянной величиной, равной отношению объемного расхода v к площади поперечного сечения F. Тогда уравнение (8.19) можно записать:

. (8.20)

Уравнение (8.20) можно проинтегрировать относительно :

(8.21)

или, если A – исходный реагент, то

. (8.22)

Уравнениями (8.21) и (8.22) можно пользоваться при расчетах размеров изотермического реактора идеального вытеснения и глубины протекающего в нем процесса.