Лекция №7 Реакторы

Любой реактор можно приблизить к идеализированной модели. Проведя расчёт по идеализированной системе, мы можем выбрать либо реактор идеального вытеснения (РИВ), либо реактор полного смешения (РПС). Таким образом, взамен уравнений гидродинамики разработаны две идеализированные модели.

Модель реактора идеального вытеснения

(РИВ)

1. Реактор, рассмотренный по модели идеального вытеснения, может быть только проточным.

2. Один из геометрических параметров реактора много больше другого (наиболее распространен случай, когда длина(L) много больше диаметра(D)).

3. В реакторе реализуется поршневой режим движения реагентов.

В реакторе идеального вытеснения можно выделить бесконечно большое количество бесконечно малых поршней (участков реагирующей среды с диаметром, равным диаметру реактора, и бесконечно малой длиной l). Каждый участок реакционной среды двигается в направлении оси потока, выталкивая впереди идущий участок, но с ним не смешивается.

То есть, в реакторе идеального вытеснения запрещено перемешивание в направлении оси потока.

Химическая реакция будет протекать за счет того, что в границах каждого слоя разрешено радиальное перемешивание. В границе этого слоя параметры одинаковы, а степень изменения этих параметров зависит от времени нахождения слоя в реакторе. Разница Х и Х₂ зависит от того, насколько далеко этот слой продвинулся.

Можно изобразить зависимость:

В модели идеального вытеснения эта зависимость позволяет оценить, реактор какой длины нам необходим.

Причины, по которым зависимость не доходит до единицы:

1. Большинство процессов обратимые.

2. Если реакция необратима, с экономической точки зрения доводить процесс до конца в единичном реакторе невыгодно.

Для проточных реакторов понятие астрономического времени использовать нельзя. Для таких реакторов используется понятие времени контакта, которое обозначается τ.

Величина степени контакта увеличивается с увеличением объема реактора и уменьшением расхода реакционной смеси.

Понятие время контакта обычно используется в научной среде, в практической обычно используют величину объёма реактора.

Рассмотрим эпюры скоростей для ламинарного и турбулентного режимов.

Ламинарный режим Турбулентный режим

Ректор идеального вытеснения должен работать в турбулентном режиме.

Модель реактора полного смешения

(РПС)

Реактор, рассчитанный по модели реактора полного смешения, имеет сопоставимые геометрические параметры и изображается в виде емкости с мешалкой. Для перемешивания газов используют циркуляционную схему (кипящий слой, пенный слой и т.д.).

Значение всех параметров в любой точке реактора полного смешения одинаковы. Аналогично и для температуры: РПС изотермичен. Изменение значения параметров от начального до конечного состояния происходит за нулевой промежуток времени.

В зависимости от длины реактора ( реактор имеет сопоставимые параметры) степень превращения будет меняться по линии, параллельной оси абсцисс.

- - - - отклонение (некое подобие реального реактора, которое учитывает перемешивание слоев и т.д.)

Для предварительных рассуждений участок реактора выравнивания Х не учитываем.

Реактор полного смешения можно рассмотреть как один элементарный объем, но большой.

Материальный баланс по ключевому компоненту А в элементарном объёме за элементарный промежуток времени.

1. Конвективная составляющая (принудительное перемешивание реагента). Используется насос, газодувка и т.д.

2. Диффузионная составляющая (процесс перемешивания под действием разности концентраций).

3. Химическая реакция.

Пренебрегаем изменением концентрации компонента, т.е. диффузионная составляющая равна 0.

а) если конвективная составляющая > химическая реакция, то накопление компонента > 0 (запуск реактора).

б) если конвективная составляющая < химической реакции, то накопление компонента < 0 (остановка реактора).

в) если конвективная составляющая = химической реакции, то накопление компонента = 0 (стационарный режим работы реактора).

Рассмотрим случай стационарного режима.

Ι. РИВ

dX_A – изменение степени превращения компонента А в границе элементарного объема.

NNS – число молей компонента А, которое подошло к границе элементарного объема.

( )

Преобразовав это выражение, получаем:

.

Это уравнение позволяет моделировать реактор.

Из этого уравнения следует, что увеличение производной пропорционально скорости химической реакции.

Для того чтобы в одном и том же объеме получить большую степень превращения нужно увеличить скорость.

Пересчитаем начальный мольный поток в объемный поток NNS→VNS:

• Если скорость выражена в , то нужно умножать на 22,4∙10^-3.

• Если скорость выражена в , то нужно умножать на 22,4.

1. В границах элементарного объема можно пренебречь изменением объема реакционной смеси.

2. За счет использования в кинетическом уравнении мольных долей компонентов с учетом коэффициентов изменения объема можно при составлении материального баланса использовать величину начального объемного потока.

Если проинтегрировать уравнение материального баланса РИВ, то получим:

.

Это уравнение позволяет решать задачу проектирования реактора.

ΙI. РПС

Это уравнение позволяет решать задачу моделирования.

Это уравнение позволяет решать задачу проектирования.