Класифікація реакторів

При класифікації реакторів берутьдоувагинаступні основні ознаки:

1. характер операції, що відбувається в реакторі;

2. режим руху реакційного середовища;

3. тепловий режим;

4. фазовий стан реагентів.

За першою ознакою реактори поділяють наперіодичні, безперервні і напівбезперервні. Реактори безперервні, тобто з безперервним підведенням реагентів, у свою чергу підрозділяються за характером руху реакційного середовища (тобто по гідродинамічній обстановці в реакторі) нареактори ідеального витіснення і реактори ідеального змішання.

Звичайне вивчення реакторів складається з двох етапів: спочатку в ізотермічних умовах, коли температура реакційної суміші постійна, а потім з урахуванням зміни температури реакційної суміші.

Розділ VI

Реактори з різними режимами руху середовища

Рівняння реактора будь-якого типу отримують з рівняння матеріального балансу, складеного для цього типу реактора за одним з реагентів даної реакції.

Нижче приведено виведення рівнянь для різних типів реакторів за умови, що вплив температури на швидкість реакції не враховується.

1. Реактори періодичні

Реактори періодичні характеризуються одноразовим завантаженням реагентів. При цьому процес складається з трьох стадій: завантаження сировини, його обробки(хімічне перетворення) і вивантаження готового продукту. Після проведення цих стадій вони повторюються знову, тобто робота реактора здійснюється циклічно.

Тривалість одного циклу, що проводиться в періодичномуреакторі, визначається за рівнянням:

(6.1)

деτ_п—повний час циклу;

τ— робочий час(що витрачається на проведення хімічної реакції);

τ_(доп)— допоміжний час(що витрачається на завантаження реагентів і вивантаження продукту).

Реактор ідеального змішання періодичної дії

Цей реактор, ще називається скорочено РІЗ-П, є апаратом з мішалкою, в який періодично завантажують початкові реагенти(рис. VI.I). У такому реакторі створюється дуже інтенсивне перемішування, тому у будь-який момент часу концентрація реагентів однакова в усьому об'ємі реактора і змінюється. лише у часі, у міру протікання хімічної реакції. Таке перемішування можна вважати ідеальним, звідси і назва реактора.

Рис. 6.1. Реактор ідеального змішання періодичний

Зміну концентрації початкового реагентуАв часі і в об'ємі реактора показано на рис. 6.2.

Рис 6.2. Розподіл концентрації реагенту в періодичному реакторі ідеального змішання: а – за часом; б – за об’ємом

Позначення, приведені на рис. 6.1 і 6.2, мають наступні значення:

N_A0 — початкова кількість вихідного реагентуАв реакційній суміші(при завантаженні в реактор);

С_а,о-початкова концентрація реагентуАв реакційній суміші;

Х_A0— початкова ступінь перетворення реагентуА;

N_А, С_А, Х_А— те ж саме, у кінці процесу;

τ— час;

у— просторова координата(координата місця).

Періодичні хімічні процеси за своєю природою завжди є нестаціонарними(несталими), оскільки при перебігу хімічної реакції змінюються параметри процесу в часі(наприклад, концентрація речовин, що беруть участь в реакції, тобто відбувається накопичення продуктів реакції).

Для розрахунку періодичного реактора потрібно знати його рівняння, що дозволяє визначити робочий часτ, необхідний для досягнення заданогоступеня перетворенняХ_Апри відомій початковій концентрації речовиниС_А,0і відомій кінетиці процесу, тобто при відомій швидкості хімічної реакції υ_A.

Основою для одержання рівняння реактора є диференціальне рівняння(5.7). Це рівняння може бути перетворене;виходячи з того, що в РІЗ-П внаслідок інтенсивного перемішування усі параметри однакові в усьому об'ємі реакторау будь-який моментчасу(див. рис. 6.2). В цьому випадку похідна будь-якого порядку від концентрації по осях х, у, zдорівнює нулю. Тому можна записати

. (6.2)

. (6.3)

З урахуванням отриманих значень рівняння(5.7) спрощується і може бути записане не в похідних, а у вигляді звичайного диференціального рівняння

. (6.4)

Якщо реакція, що розглядається вище, відбувається без зміни об'єму реакційної суміші, поточна концентрація початкової речовини виражається рівнянням(1.5). Підставивши це значення в рівняння(6.4), одержуємо

,

або

(6.5)

Знак мінус перед величиною υ_A вказує на те, що в процесі відбувається витрата початкового реагенту.

Інтегруючи рівняння(6.5) в межах зміни часу від 0 доτі ступеня перетворення від 0 доХ_А. отримаємо рівняння РІЗ-П

(6.6)

Розглянемо деякі окремі випадки рішення цього рівняння. Швидкість простої безповоротної реакціїп-гопорядку виражається рівнянням:

.

Підставивши отримане значення для(-υ_А) в рівняння(6.6), отримаємо

(6.7)

З урахуванням рівняння(1.5) знаходимо

. (6.8)

Для безповоротної реакції нульового порядку, колип =0, з рівняння(6.8) одержуємо

(6.9)

Для безповоротної реакції першого порядку, колип=1, аналогічно з рівняння(6.8) знаходимо

,

або

. (6. 10)

Досі інтеграція робилася в межах зміниХ_Авід 0 доХ_А. Якщо початкова ступінь перетворення не дорівнює 0, тоді в усіх випадках кінцеві результати змінюються. Так, наприклад, для реакції нульового порядку з рівняння(6.8) маємо:

Відповідно для реакції першого порядку:

,

або

.

У тих випадках, коли в РІЗ-П відбувається реакція, порядок якої відрізняється від 0 і 1(0≠п≠1) інтеграція рівняння(6,6) пов'язана з труднощами, тому визначення робочого часу роблять методом графічної інтеграції. Для цього, узявши за основу рівняння(6.6), будують графічну залежність і обчислюють площу під кривою між початковим і кінцевим значеннями міри перетворення(рис. VI. 3) :

, (6.11)

де

. (6.12)

Рис. 6.3. Графічний розрахунок реактора ідеального змішання періодичної дії

Рівняння(6.6) є математичним описом моделі РІЗ-П. Виходячи з цього рівняння можна визначити розміри реактора, а також досліджувати цю модель з точки зору знаходження оптимальних значень усіх параметрів, що входять в нього.

Реактори періодичної дії прості за конструкцією, вимагають невеликого допоміжного устаткування, тому вони особливо зручні для проведення досвідчених робіт по вивченню хімічної кінетики. У промисловості ж вони зазвичай використовуються в малотоннажних виробництвах і для переробки відносно дорогих хімічних продуктів. Більшість же промислових процесів оформляються з використанням реакторів безперервної дії.