12.05.20. Лекция 14. ОПтимальные схемы реакторов ив и ис

В ХТС можно существуют подсистемы, состоящие из однородных элементов (аппаратов) и предназначенные для проведения определенной химико-технологической операции. К ним можно, например, отнести реакторный узел, системы разделения, теплообмена. В них протекает химическое превращение, или разделение многокомпонентной смеси, или теплообмен между многими потоками. Каждая из них состоит из однородных аппаратов: реакторов, или ректификационных колонн, или теплообменников. Для выбора системы однородных элементов установлены некоторые общие подходы, позволяющие реализовать концепции синтеза ХТС. Рассмотрим на примере реакторных схем.

5.6.1. Система химических реакторов

Реакторный узел - соединение нескольких реакторов – часто используют для оптимизации режима процесса, или увеличения общей степени превращения. Рассмотрим параллельное и последовательное соединение реакторов и сопоставим их по интенсивности (общему объему, необходимому для достижения одинаковой степени превращения х_к или конечной концентрации С_к) и селективности процесса в них (при протекании сложной реакции).

Системы n реакторов идеального вытеснения (рис. 1).

Математически процесс в реакторе описывается уравнением

dx/d = r(x).

В системе последовательно соединенных реакторов их общий объем V_рi пропорционален сумме времен контакта _i в них :  V_рi = V₀_i. Из описания процесса в реакторе

или

(1)

Из (1) также следует, что  V_рi не зависит от того, как распределены объемы реакторов между собой.

В системе параллельно соединенных реакторов полагаем на выходе каждого из них будет одинаковая степень превращения, равная х_к. Следовательно, все одинаковые и

(2)

Если в каком-то реакторе уменьшить степень превращения, то в другом ее надо увеличить. Выигрыш  в первом из них будет меньше, чем его увеличение во втором: зависимость х() - нелинейная затухающая растущая функция (см. рис.2). Поэтому равные _i дают максимальную интенсивность.

Как видим из (1) и (2), в обеих схемах реакторов интенсивность процесса в них одинакова (равные ) и такая же, как в одном реакторе идеального вытеснения _ив. Действительно, рассмотренные схемы реакторов идеального вытеснения сводятся к одному большому РИВ и по интенсивности одинаковые. Соответственно, и по показателю селективности для сложных реакций в этих условиях не будет разницы. Но в параллельной схеме поток распределен между реакторами, его скорость в каждом из аппаратов меньше, чем в их последовательности. Поэтому меньше гидравлическое сопротивление и энергетические затраты в параллельной схеме.

Системы n реакторов идеального смешения (рис. 3).

Для сопоставления схем воспользуемся графическим методом определения времени пребывания в реакторе идеального смешения. Предположим, что реакторы имеют равные объемы. Определим объемы параллельно соединенных реакторов с одинаковыми _i:

 = V_i_i = V_i = V₀ (3)

Такая схема работает так же, как один реактор идеального смешения с _ис = .

Необходимое время  для К-РИС определяется как площадь соответствующего прямоугольника на графике "1/r(C) - C".

В последовательной схеме (каскад реакторов)

 = V₀_i = V₀_i (4)

Определим концентрации после реакторов С₁, С₂, С₃, Площадь прямоугольника в интервале С₀ – С₁ есть ₁, в интервале С₁ – С₂ есть ₂ и т.д. Площадь под ступенчатой линией равна _i. Очевидно, что суммарные время и объем реакторов в последовательной схеме меньше, чем в параллельной или в одном реакторе. Чем больше число реакторов в каскаде, тем меньше _i в нем, приближаясь к _ив в режиме идеального вытеснения.

Увеличение число реакторов в каскаде, как мы знаем, приближает режим к идеальному вытеснению, и характер влияния числа реакторов в каскаде на селективность процесса при протекании сложной реакции будет таким, как ее изменение при переходе от режима идеального смешению к вытеснению (см. лекцию 9). Там же даны объяснения этому. Показатели процесса: интенсивность и селективность, - будут занимать промежуточное положение между крайними режимами смешения и вытеснения.

Такие реакторные системы распространены для жидкофазных процессов.