Реактор идеального вытеснения.

Химические реакторы.

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом. Типичные реакторы – промышленные печи, контактные аппараты, реакторы с механическим или струйным перемешиванием, варочные котлы и др. От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.

Основные требования к промышленным реакторам:

1. максимальная производительность и интенсивность работы;
2. высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора:(температурой, давлением, концентрацией исходных веществ; для каталитических процессов – эффективным применением катализатора);
3. минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальных температур (затраты снижаются уменьшением скоростей потоков, числом оборотов мешалки, но при этом, уменьшается и интенсивность работы реактора, степень превращения);
4. легкая управляемость и безопасность работы обеспечивается конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими легко автоматизировать работу реактора;
5. низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его (простота конструкции и применение дешевых конструкционных материалов);
6. устойчивость работы при значительных изменениях основных параметров режима (концентрации, температуры, давления и др.).

При проектировании реактора необходимы сведения о кинетических закономерностях химической реакции и производительности. Разрабатывая схему реактора, технолог решает – будет реактор работать непрерывно или периодически, определяет модель реактора и указывает способы подвода и отвода тепла.

Методы технологического расчета и подбора параметров значительно отличаются для различных типов реакторов. Поскольку гидродинамическая обстановка и температурный режим в основном определяют кинетику процесса, протекающего в реакторе, в основу классификации реакторов положены предельные гидродинамические режимы: идеального вытеснения и полного (идеального) смешения в изотермических, адиабатических или политермических условиях. Эта идеализация позволяет исключить из рассмотрения второстепенные черты процесса и использовать те, которые определяют поведение системы.

Расчет промышленного реактора в большей степени базируется на экспериментальных данных и идеализированные модели служат лишь отправной точкой для наиболее полного использования опытных данных для определения основных размеров реактора. При исследовании работы реакторов составляется математическое описание (математическая модель) реактора. Уравнения математической модели выводятся на основании балансов веществ теплоты и количества движения для реактора в целом или для его бесконечно малого объема в зависимости от его режима работы.

Модели идеальных реакторов.

На режим работы реактора непосредственно влияет степень перемешивания реагирующих масс. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров во всем реакционном объеме (например, температуры), а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорость процесса.

Реактор полного смешения.

Проточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например, при помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в аппарат этого типа частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нем частицами, то есть равномерно распределяются в объеме аппарата. В итоге во всех точках реакционного объема мгновенно выравниваются параметры, характеризующие процесс. На рис 2 показаны зависимости концентрации (а), степени превращения (б), скорости реакции (в).

Рис. 2.

Характеристическое уравнение реактора полного смешения выводится на основе материального баланса. Но так как в таком аппарате концентрации реагентов одинаковы во всем объеме, то и материальный баланс составляется для всего объема. Характеристическое уравнение проточного реактора полного смешения имеет вид

Для реакций протекающих без изменения объема , тогда

Уравнения (9) и (10) позволяют по четырем величинам, например для реактора объемом V из определить пятую и т.д.

Из уравнения (9) получается характеристическое уравнение для необратимой реакции любого порядка

Для необратимой реакции нулевого порядка

Для необратимой реакции первого порядка

Вывод Математическая модель полного смешения применяют прежде всего при моделировании жидкостных реакторов с перемешивающими устройствами (пропеллерными, лопастными, якорными и другими типами мешалок), а также с пневматическим и струйно-циркуляционным перемешиванием. Реакторы с перемешивающими устройствами применяются для гомогенно-жидкостных и гетерогенных процессов в системе Ж-Т(суспензия), Ж-Ж(эмульсия), и Г-Ж. К режиму смешения по твердой фазе (в определенных условиях и по газовой) относят реакторы с кипящим слоем твердого зернистого материала: печи, контактные аппараты и др.

Химические реакторы.

Химическим реактором называется аппарат, в котором осуществляются химические процессы, сочетающие химические реакции с массо- и теплопереносом. Типичные реакторы – промышленные печи, контактные аппараты, реакторы с механическим или струйным перемешиванием, варочные котлы и др. От правильности выбора реактора и его совершенства зависит эффективность всего технологического процесса.

Основные требования к промышленным реакторам:

1. максимальная производительность и интенсивность работы;
2. высокий выход продукта и наибольшая селективность процесса. Они обеспечиваются оптимальным режимом работы реактора:(температурой, давлением, концентрацией исходных веществ; для каталитических процессов – эффективным применением катализатора);
3. минимальные энергетические затраты на перемешивание и транспортировку материалов через реактор, а также наилучшее использование теплоты экзотермических реакций или теплоты, подводимой в реактор для нагрева реагирующих веществ до оптимальных температур (затраты снижаются уменьшением скоростей потоков, числом оборотов мешалки, но при этом, уменьшается и интенсивность работы реактора, степень превращения);
4. легкая управляемость и безопасность работы обеспечивается конструкцией реактора и малыми колебаниями параметров технологического режима, позволяющими легко автоматизировать работу реактора;
5. низкая стоимость изготовления реактора и ремонта его (простота конструкции и применение дешевых конструкционных материалов);
6. устойчивость работы при значительных изменениях основных параметров режима (концентрации, температуры, давления и др.).

При проектировании реактора необходимы сведения о кинетических закономерностях химической реакции и производительности. Разрабатывая схему реактора, технолог решает – будет реактор работать непрерывно или периодически, определяет модель реактора и указывает способы подвода и отвода тепла.

Методы технологического расчета и подбора параметров значительно отличаются для различных типов реакторов. Поскольку гидродинамическая обстановка и температурный режим в основном определяют кинетику процесса, протекающего в реакторе, в основу классификации реакторов положены предельные гидродинамические режимы: идеального вытеснения и полного (идеального) смешения в изотермических, адиабатических или политермических условиях. Эта идеализация позволяет исключить из рассмотрения второстепенные черты процесса и использовать те, которые определяют поведение системы.

Расчет промышленного реактора в большей степени базируется на экспериментальных данных и идеализированные модели служат лишь отправной точкой для наиболее полного использования опытных данных для определения основных размеров реактора. При исследовании работы реакторов составляется математическое описание (математическая модель) реактора. Уравнения математической модели выводятся на основании балансов веществ теплоты и количества движения для реактора в целом или для его бесконечно малого объема в зависимости от его режима работы.

Модели идеальных реакторов.

На режим работы реактора непосредственно влияет степень перемешивания реагирующих масс. Полное смешение обеспечивает постоянство параметров во всем реакционном объеме (например, температуры), а при идеальном вытеснении температура, как правило, изменяется по высоте реакционного объема. В результате в реакторах вытеснения меняется константа скорости реакции и соответственно скорость процесса.

Реактор идеального вытеснения.

Примером такого реактора может служить трубчатый реактор для производства малеинового ангидрида. В таком реакторе все частицы движутся в заданном направлении не перемешиваясь с движущимися впереди и сзади и полностью вытесняя подобно поршню находящиеся впереди частицы потока (поршневое движения потока).

Время пребывания всех частиц в аппаратах идеального вытеснения одинаково, то есть временной характеристикой реактора служит уравнение

где - среднее время пребывания частиц; - расход реакционной смеси; - обем реактора.

По длине (высоте) реактора плавно изменяются концентрации реагентов и в соответствии с этим изменяется скорость реакции. Так, для простой реакции , протекающей без изменения объема при постоянстве температуры по мере протекания реакции по длине (высоте) и (или), что тоже и по времени пребывания в реакторе , уменьшается концентрация вещества от до (см. рис 1а), увеличивается степень превращения (см. рис 1б) и снижается скорость реакции (см. рис 1в).

Рис.1.

Характеристическое уравнение реактора идеального вытеснения, полученное на основе уравнения материального баланса имеет вид:

где - начальная концентрация вещества А; - степень превращения; - скорость реакции.

Уравнение (2) позволяет , если известна кинетика процесса, определить время пребывания реагентов, а затем размеры реактора при заданных расходе реагентов и степени превращения или производительность при заданных размере реакторе и степени превращения.

Для реакции при большом избытке вещества И (гидратация и гидролиз при избытке воды, окислении при избытке кислорода и др.) уравнение скорости реакции тогда

Для необратимой реакции нулевого порядка

Для необратимой реакции первого порядка

Если реакция идет с изменением объема, то необходимо учитывать относительное изменение объема всей системы при изменении степени превращения от 0 до 1

где - соответственно объем реакционной массы при .

Концентрация реагентов для такой реакции и время пребывания для необратимой реакции будет равно

Для необратимой реакции нулевого порядка

Для необратимой реакции первого порядка

Вывод Математическая модель вытеснения можно применять для технологических расчетов при проектировании жидкофазных трубчатых реакторов с большим отношение длины трубы к его диаметру. Такие реакторы широко применяются в производствах органического синтеза (производство малеинового ангидрида и др.).

Реактор полного смешения.

Проточный реактор смешения представляет собой аппарат, в котором интенсивно перемешиваются реагенты, например, при помощи мешалки. В него непрерывно подаются реагенты и непрерывно выводятся продукты реакции. Поступающие в аппарат этого типа частицы вещества мгновенно смешиваются с находящимися в нем частицами, то есть равномерно распределяются в объеме аппарата. В итоге во всех точках реакционного объема мгновенно выравниваются параметры, характеризующие процесс. На рис 2 показаны зависимости концентрации (а), степени превращения (б), скорости реакции (в).

Рис. 2.

Характеристическое уравнение реактора полного смешения выводится на основе материального баланса. Но так как в таком аппарате концентрации реагентов одинаковы во всем объеме, то и материальный баланс составляется для всего объема. Характеристическое уравнение проточного реактора полного смешения имеет вид

Для реакций протекающих без изменения объема , тогда

Уравнения (9) и (10) позволяют по четырем величинам, например для реактора объемом V из определить пятую и т.д.

Из уравнения (9) получается характеристическое уравнение для необратимой реакции любого порядка

Для необратимой реакции нулевого порядка

Для необратимой реакции первого порядка

Вывод Математическая модель полного смешения применяют прежде всего при моделировании жидкостных реакторов с перемешивающими устройствами (пропеллерными, лопастными, якорными и другими типами мешалок), а также с пневматическим и струйно-циркуляционным перемешиванием. Реакторы с перемешивающими устройствами применяются для гомогенно-жидкостных и гетерогенных процессов в системе Ж-Т(суспензия), Ж-Ж(эмульсия), и Г-Ж. К режиму смешения по твердой фазе (в определенных условиях и по газовой) относят реакторы с кипящим слоем твердого зернистого материала: печи, контактные аппараты и др.