8.1 Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме. Уравнение материального баланса для элементарного объема проточного химического реактора

Z

2^’

1’

dz

1

dx

dу

2

^Y

Х

Рисунок 8.1 – Элементарный объем

химического проточного реактора

Выделим в движущемся потоке реакционной смеси элементарный параллелепипед с гранями dx, dy, dz и обозначим материальные потоки (рисунок 8.8).

1, 1’ – конвективный перенос

2, 2^’ – диффузионный перенос.

X

Рисунок 8.8 – Элементарный объем химического

проточного реактора

О ходе реакции будем судить по изменению молярной концентрации вещества J (C_J).

Изменение количества вещества J в ходе химической реакции обусловлено: конвекцией, диффузией, химической реакцией и накоплением вещества в химическом реакторе

. (8.1)

Составляющие материального баланса можно определить:

(8.2)

где – вектор скорости; D – коэффициент диффузии; – градиент концентрации; – оператор Лапласа.

После преобразования получим уравнение материального баланса элементарного объема проточного химического реактора:

. (8.3)

8.2 Реактор идеального смешения (рис)

По определению РИС в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т.д. (рисунок 8.9). Например, в некоторый момент времени τ_i во всех точках реактора выполняются условия С_J(x₁,y₁,z₁, τ_i)=C_J(x₂,y₂,z₂, τ_i)=….= С_J(x_N,y_N,z_N, τ_i).

Входной Выходной Входной Выходной

поток поток поток поток

.1 . N

(x₁,y₁,z₁) (x_N,y_N,z_N)

тепло- тепло-

тепло- .2 ( x₂,y_2,z₂) носитель носитель

носитель

а б

(8.4)

а – с механическим перемешивающим устройством;

б – с циркуляционным контуром

Рисунок 8.9 – Схематическое изображение реакторов

идеального смешения

Смешение, близкое к идеальному, осуществляют в емкостных аппаратах с приблизительно равными диаметром и высотой.