книги из ГПНТБ / Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие

Г л а в а X

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

§ Х.1. Общая классификация

Реакторы для осуществления химико-технологических про­ цессов нередко являются достаточно сложными аппаратами, а иногда их правильнее считать сооружениями (агрегатами). Поэтому классификация реакторов на рациональной основе возможна, если ограничиться лишь существенными характе­ ристиками, определяющими особенности химической реакции или физико-химического превращения, для осуществления ко­ торых предназначен реактор.

Прежде всего в основе такой классификации лежат при­ знаки, обусловленные особенностями гидродинамики потоков.

1.Макроструктура потоков, определяемая числом макро­ скопических потоков и их относительным направлением в ре­ акторе. Различают реакторы с однофазным и многофазным потоками. Такое подразделение не вполне эквивалентно де­ лению систем на гомогенные и гетерогенные, так как гетеро­ генная система с тонкодисперсными фазами может рассмат­ риваться как квазиоднофазная и, напротив, гомогенная сис­ тема, в которой явно различимы струи различного состава (например, в виде пламени), — как квазидвухфазная.

2.Кинематика потоков, определяемая зависимостью ве­ личины потока во времени. Потоки могут быть непрерывными (стационарные) и периодическими и соответственно этому — реакторы непрерывного действия (проточные) и периодическо­ го действия. В реакторах с многофазными потоками со слож­ ной кинематикой одни квазиоднофазные потоки могут быть периодическими, другие — непрерывными.

3.Продольное смешение реагентов лежит в основе разде­ ления реакторов на реакторы идеального смешения, в кото­ рых исходные вещества идеально перемешиваются с продук­ тами реакции, реакторы идеального вытеснения, в которых практически полностью исключено смешение исходных ве­ ществ с продуктами реакции, и реакторы неполного смеше­

ния, в которых наблюдается смешение исходных веществ с продуктами реакции, но осуществляется оно не так интен­ сивно, как в реакторе идеального смешения.

4. Микроструктура потоков. По этому признаку различают молекулярные потоки и глобулярные, или сегрегированные.

Молекулярными называют однофазные потоки реактора, в которых молекулы исходного вещества с одинаковым време­ нем пребывания имеют в своем окружении молекулы исход­ ных веществ с различным временем пребывания.

Глобулярными, или сегрегированными, являются однофаз­ ные потоки, в которых все помеченные молекулы исходного вещества имеют в своем окружении молекулы исходных ве­ ществ с тем же временем пребывания, что и помеченные мо­ лекулы. Очевидно, сегрегированным потокам соответствует модель эмульгированной жидкости, молекулы которой заклю­ чены в глобулы, движущиеся с потоком как нечто целое, как миниатюрный реактор периодического действия, и молекулы из одной глобулы не попадают в другие (в этом отличие гло­ булярных потоков от реальных двухили многофазных по­ токов) .

Можно назвать также ряд признаков, обусловленных тем­ пературным режимом в реакторах и особенностями самих ре­

называют неадиабатическим, а при их отсутствии — адиаба­ тическим.

7. Наличи^ или отсутствие гетерогенного катализатора.

Различают реакторы некаталитические и гетерогенно-катали- тические. В последнем случае катализатор применяют в виде насадки, укрепленной в реакторе, или в виде подвижной дис­ персной среды, подаваемой в реактор.

8. Гомофазность и гетерофазность реакций. Если исходные и конечные продукты реакции принадлежат одной фазе, то реакцию называют гомофазной, а если указанные продукты

ные особенности работы реакторов. Приведенные признаки классификации реакторов не являются в полном смысле неза­ висимыми, и их произвольное сочетание не всегда возможно. Так, пункт 3 классификации по существу имеет смысл лишь в отношении проточных реакторов, упоминаемых в пункте 2. Пункт 4 имеет значение лишь в отношении проточных (п.2) реакторов идеального смешения и .неполного смешения (п.З), поскольку в реакторах идеального вытеснения отсутствует продольное смешение, как и в потоках с глобулярной микро-

242

структурой (п.4). Пункт 5 имеет значение лишь для реакторов неполного смешения и идеального вытеснения, так как в ре­ акторах идеального смешения (п.З) благодаря интенсивному перемешиванию реактантов происходит выравнивание кон­ центраций по объему реактора, а вместе с этим выравнивание температуры и достижение изотермичное™ процесса. Для кинетических расчетов гомофазных реакций, к которым отно­ сятся также и многие гетерогенные и каталитические реак­ ции, очень важно учитывать пункты 2, 3 и 5 приведенной классификации.

между компонентами. В таких случаях существенное значение

§Х.2. Распределение времени пребывания частиц

впроточных реакторах

Характеристики продольного смешения в идеальных и ре­ альных реакторах во многих случаях могут быть определены функцией распределения частиц по времени пребывания. Наи­ большее распространение получила С-функция, которая мо­ жет быть найдена из анализа «кривых вымывания» трассера меченого инертного вещества, обладающего интенсивной ок­ раской или иным измеримым специфическим свойством (на­ пример, радиоактивностью). Для получения С-кривой вводит­

ется. Начиная с этого момента в выходном потоке измеряется

Функцию изменения концентрации с*0 во времени во вход­ ном потоке называют входной функцией или возмущением.

Описанная процедура ввода трассера отвечает импульсному

С (Ѳ.)

Если обозначить величины потоков на входе и выходе ре­ акторов Ро и Р, то получим следующее уравнение материаль­ ного баланса трассера:

Öо

В случае стационарного потока (PQ, P=const)

Уравнение (Х.2) позволяет следующим образом задать условия нормировки С-функции: вместо времени т использу­ ется безразмерное время Ѳ и безразмерная концентрация С*, находимые из условий

где <?s — вместимость реактора (по потоку реактантов).

244

называют С-кривой или С-функцией распределения времени пребывания частиц (молекул, ионов) в реакторе.

Из (Х.2, Х.4) следует, что С-кривая позволяет определить долю частиц трассера с заданным временем пребывания в

можно получить как площадь Si, ограниченную кривой С*(т)

физическое время пребывания хі, или другими словами —

меченых частиц трассера в реакторе на немеченые частицы потока его реактантов, характеризуемых функциями С(х) и F(x), состоит в попарном отождествлении первых со вторыми.

коэффициенты диффузии всех реактантов и трассера в усло­ виях осуществления реакции практически равны между собой.. Кроме того, молекулы трассера не должны ассоциироваться друг с другом. Чтобы выполнить эти требования, трассер сле­ дует применять в малых концентрациях.

24&

Иногда С-функции могут быть найдены теоретически. Рас­ смотрим случаи: 1) проточный реактор идеального вытесне­ ния; 2) проточный реактор идеального смешения; 3) каскад проточных реакторов идеального смешения с равными сред­ ними временами пребывания реактантов в каждом реакторе каскада.

Для первого случая характерно поршневое, или когерент­ ное, движение частиц реактантов. Это значит, что при импуль­

что изображено на рис. Х.2 (кривая т = о о ) .

246

деляется в объеме реактора, создавая на выходе концентра­ цию с*(0), вычисляемую по уравнению

Кривые C*Jß) показаны на рис. Х.2. При т—\ из (Х.11) получаем (Х.10), а при т—оо — (Х.8). Следовательно, при т = оо теряется различие ,между реактором идеального вы­ теснения и каскадом m реакторов идеального смешения.

Следует отметить, что ввиду малой концентрации молекул трассера в реакторе каждую из них можно считать центром глобулы. Распределение указанных глобул по времени пре­ бывания характеризуется С-функцией трассера. Очевидно,

247

вхождение двух частиц трассера в одну глобулу моделирует слияние двух глобул в одну. При малой концентрации трас­ сера такой процесс маловероятен, поэтому С-функция трассе­ ра является С-функцией глобул и может быть применена при описании кинетики произвольных реакций в потоках с идеаль­ ной глобулярной микроструктурой. Поскольку поведение каж­ дой молекулы трассера в реакторе не зависит от поведения других молекул трассера, то С-распределение допустимо применять и в потоках с произвольной микроструктурой, если рассматриваются мономолекулярные реакции.

§ Х.З. Интенсивность тепловыделения в реакторе

При протекании экзотермических реакций в реакторе про­ исходит выделение тепла, пропорциональное тепловому эф­ фекту (— АЯ,) и экстенсивной полноте реакции. Суммарный

R

тепловой эффект составит величину Q = 2 (—А Я,-), про-

суммированную по всем R независимым реакциям. Чтобы определить среднюю интенсивность тепловыделения, величи­ ну Q требуется отнести ко времени реакции и загрузке реак­ тора. Обозначая дважды усредненную (по времени и по

объему) суммарную интенсивность^ тепловыделения /в при

Как видим, интенсивность тепловыделения і-й реакции пропорциональна интенсивности самой реакции и ее теплово­ му эффекту.

248

§ Х.4. Кинетические расчеты изотермических реакторов

Задачу кинетического расчета составляет либо расчет вре­ мени реакции или объема реактора (прямая задача), либо расчет выходных параметров потока реактантов (обратная задача). Решение обеих задач взаимосвязано, но решить пря­ мую задачу проще, чем обратную. Для кинетического расчета реактора необходимо знать: а) кинетическое уравнение реак­ ции в интегральной или дифференциальной форме для задан­ ной температуры; б) тип реактора, в котором предполагается осуществлять реакцию, и в случае необходимости — его С-функцию для реальных условий процесса.

Общие решения указанных задач в настоящее время могут быть получены для реактора периодического действия и про­ точных реакторов идеального вытеснения, идеального смеше­ ния, неполного смешения с идеальным глобулярным потоком реактантов и реактора неполного смешения с потоком реак­ тантов произвольной микроструктуры при условии, что все реакции являются необратимыми мономолекулярными (реак­ циями первого порядка). Ход кинетических расчетов различен для большей части перечисленных типов реакторов. Перехо­ дим к последовательному рассмотрению методов кинетиче­ ских расчетов изотермических реакторов.

то уравнение (Х.13) необходимо решать аналитически относи­ тельно т. Нередко указанные зависимости задают графически, и тогда уравнение (Х.13) можно решать графически.

Если интегральные кинетические зависимости отсутствуют, то время реакции получают интегрированием уравнения (IX.32):

249