Причины отклонений от идеальности в проточных реакторах

Работу проточного непрерывно действующего реактора можно охарактеризовать следующим образом: в аппарат поступает реакционный поток и перемещается от входного отверстия до выходного. При этом предполагается, что все элементы реакционного потока находятся в реакторе некоторое время, в течение которого может протекать химическая реакция. В общем случае время пребывания отдельных элементов потока в проточном аппарате — это непрерывная случайная величина, значение которой может меняться от 0 до . Может оказаться так, что какой-то элемент потока в реакции фактически не участвует, так как он попадает в реакторе в так называемую застойную зону. Здесь реакционная смесь задерживается, и скорость химической реакции, если не равна нулю, то существенно отличается от скорости реакции в основном потоке. Возможные варианты образования застойных зон показаны на рис. 9.

Рис. 9. Варианты образования застойных зон в проточ­ных реакторах

Второй причиной, по которой часть реакционного потока может не принимать участия в реакции, является наличие внутренних байпасов (рис. 10). Особенно часто байпасы возникают при не­достаточно продуманном конструктивном решении в аппаратах, где реакционным пространством является поверхность зернистого катализатора.

Рис.10. Механизм образования внутренних байпасных линий Наилучшие результаты могли бы быть получены, если бы все элементы реакционного потока находились в зоне реакции строго одинаковое время. Это возможно в аппаратах идеального вытеснения, характеризующихся плоским профилем линейных скоростей потока. Однако в реальных реакторах, даже близких к идеальному вытеснению, все-таки существует какое-то распределение элементов потока по времени пребывания в аппарате, возможно, вследствие частичного перемешивания в осевом направлении. Такое перемешивание может возникнуть, например, в результате молекулярной диффузии: в двух соседних точках по длине реактора вытеснения концентрации участников реакции будут разными, разность концентраций ∆ c является движущей силой диффузии. Наличие продольной диффузии приведет к нарушению поршневого течения потока — произойдет размывание «поршня». Наряду с молекулярной диффузией в реакторе вытеснения происходит и турбулентная диффузия. Турбулентный поток отличается наличием направленных во все стороны хаотичных пульсаций скорости относительно ее среднего значения. При этом пульсации в радиальном направлении приводят к выравниванию условий (концентраций, температуры) по поперечному сечению и, следовательно, необходимы для выполнения допущений модели идеального вытеснения. Пульсации в продольном направлении, наоборот, приводят к тому, что одни элементы потока обгоняют основную массу, другие отстают от нее, т. е. происходит осевое перемешивание или продольная диффузия.

Диффузия в осевом направлении происходит не только при турбулентном течении потока. Продольное перемешивание может быть следствиемнеравномерности поля скоростей, например, при ламинарном течении жидкости. В этом случае элементы потока, движущиеся в центре канала, имеют линейную скорость, превышающую скорость осталь­ных элементов потока ( _ср = u_max/2). И хотя характер движения элементов потока в этом случае отнюдь не хаотический (в любой момент времени можно предсказать положение выбранной частицы потока), результат будет тот же, что и в случае молекулярной диффузии, — размывание «поршня». Такой вид диффузии, вызванной неравномерностью поля скоростей, называется тейлоровской диффузией.

В проточном реакторе вытеснения наряду с застойными зонами могут иметь место и зоны циркуляции (рис. 11), в которых реакционная смесь задерживается намного дольше, чем в ядре потока. Основная масса потока проходит через аппарат быстрее среднего времени пребывания = Vl = FL/ , так как идет не по полному сечению аппарата.

Все перечисленные выше причины могут приводить к отклонениям от идеальной структуры потока, и тогда расчет реактора, выполненный на основе математической модели, построенной с учетом допущений об идеальности, окажется неверным.

Рис. 11. Зоны циркуляции в реакторе вытеснения

В теории реакторов разработаны модели, позволяющие учесть не идеальность потока. Модели эти также основываются на некоторых допущениях и поэтому являются в определенной степени приближенными (как и любая модель вообще), однако они значительно более точно описывают реальный процесс, чем модели идеального смешения и идеального вытеснения.

Дата добавления: 2015-08-20