Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме (рис. 5). Каждый элемент потока, 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. 5. Схематическое изобра­жение реактора идеального вытес­нения

Естественно, что при проведении химической реакции, например реакции, в которой участвуют два или более реагентов, перемешивание участников реакции является необходимым условием ее осуществления, иначе невозможным будет контакт между разноименными молекулами, в результате которого и происходит элементарный акт реакции. Если в реакторе идеального смешения перемешивание носит глобальный характер и за счет него параметры процесса полностью выравниваются по объему аппарата, то в реакторе идеального вытеснения перемешивание является локальным: оно происходит в каждом элементе потока, а между соседними по оси реактора элементами, как уже указывалось, перемешивания нет.

Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих допущений:

1) движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей;

2)отсутствует обусловленное любыми причинами перемешивание в направлении оси потока;

3) в каждом отдельно взятом сечении, перпендикулярном оси потока, параметры процесса (концентрации, температуры и т.д.) полностью выровнены.

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

Конвективный перенос происходит только в направлении оси z. В соответствии со вторым и третьим допущениями диффузионный перенос в реакторе идеального вытеснения отсутствует (как и в реакторе смешения). Следовательно, уравнение (10) для реактора идеального вытеснения в нестационарном режиме работы примет вид

. (24)

Из уравнения (24) видно, что в нестационарном реакторе идеального вытеснения концентрация участника реакции c_j является функцией двух переменных — координаты z и времени . При стационарном режиме уравнение будет еще более простым (в этом случае концентрация является только функцией координаты z):

. (25)

В реакторе с постоянной площадью поперечного сечения канала линейная скорость потока u_z будет величиной постоянной, равной отношению объемного расхода v к площади сечения Тогда, с учетом того, что , уравнение (25) можно записать в таком виде:

. (26)

Уравнение (26) для стационарного режима реактора идеального вытеснения можно проинтегрировать относительно ;

(27)

или, если J — исходный реагент,

. (28)

Уравнения (27), (28) по виду напоминают уравнения (14)_, (17) для периодического реактора идеального смешения.

Если считать, что элементарный объем dV, для которого составлялся материальный баланс, может двигаться месте с потоком, то в поршневом режиме он может рассматриваться как своеобразный периодический микрореактор идеального смешения, время проведения реакции в котором равно среднему времени пребывания реагентов в реакторе идеального вытеснения.

Пример 2. Определить среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального вытеснения для условий примера 1(реакция второго по­рядка , кинетическое уравнение = 2,5 , = 4 кмоль/ , = 0,8).

Решение. Используем для расчета уравнение (28):

.

Таким образом, для достижения аналогичных результатов значение для реактора идеального вытеснения (0,4 ч) существенно меньше, чем значение для проточного реактора идеального смешения.

Как видно из примеров 1 и 2, при одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глубины превращения среднее время пребывании реагентов в проточном реакторе идеального смешения больше, чем в реакторе идеального вытеснения. Этот факт легко может быть объяснен характером распределения концентрации реагентов по объему указанных реакторов. Если в проточном реакторе идеального смешения концентрации во всех точках равны конечной концентрации, то в реакторе идеального вытеснения в двух соседних точках на оси реактора концентрации реагентов уже отличаются.

При сравнении не учитывался ряд факторов, ограничивающих применение аппаратов, работающих в режиме, близком к идеальному вытеснению. К ним следует отнести, например, большое гидравлическое сопротивление трубчатых реакторов, трудность чистки таких аппаратов и т. д. Конструктивно проточные аппараты с интенсивным пере­мешиванием проще, но обладают тем характерным недостатком, что в них устанавливается низкая концентрация исходного реагента (равная конечной) и, следовательно, низкой будет скорость химической реакции. Чтобы использовать преимущества реакторов смешения и в тоже время поддерживать в реакционной системе более высокие концентрации реагентов, можно создать каскад реакторов идеального смешения путем последовательного включения нескольких реакторов.

Дата добавления: 2015-08-20