Лекция № 9

Ранее мы рассмотрели основные модели химических процессов и их математическое описание. Усложним модель химико-технологического процесса за счет учета гидродинамических процессов, то есть способов направленного движения потоков реакционной смеси в реакторе.

Любой реактор, используемый в химическом производстве. В большем или меньшем приближении можно описать одной из следующих моделей:

- реактор идеального смешения периодического действия РИС-П;

- реактор идеального смешения непрерывного действия РИС-Н;

- реактор идеального вытеснения непрерывного действия РИВ-Н;

- каскад реакторов идеального смешения непрерывного действия К-РИВ-Н (ячеечная модель).

Для каждой модели выведено характеристическое уравнение, которое выражает зависимость времени пребывания реагентов в реакторе о, начальной концентрации реагента, величины конверсии и скорости химической реакции.

τ = f (C_A0, α_A, r_A)

Это уравнение является математическим описанием модели реактора. Оно дает возможность, задав С_А0 (состав исходной смеси) и r_A (тип химической реакции, температуру, давление, катализатор и т.п.) рассчитать время пребывания реагентов в реакторе, необходимое для достижения заданной конверсии (α_A), а значит, и объем реактора, его габаритные размеры и производительность. Сравнивая полученные значения для реакторов разного типа, можно выбрать самый оптимальный вариант для проведения данной химической реакции.

2.2.2. Реактор идеального смешения непрерывный

Реактор идеального смешения непрерывный (РИС-Н) представляет собой аппарат с мешалкой, в который не-

прерывно подаются реагенты, и также непрерывно выводятся из него продуктыреакции (рис. 2.6).

В РИС-Н наблюдается резкое изменение концентрации исходного реагента при входе в реактор в результате

мгновенного смешения поступающей смеси с реакционной массой, уже находящейся в реакторе, где кон-

центрация исходного реагента значительно ниже, чем концентрация исходного реагента в поступающей

смеси (рис. 2.7).

Точка, соответствующая входу реагентов в реактор, нанесена на ось абсцисс правее начала координат, что

дает более наглядное представление об изменении концентрации исходного вещества при входе

рисунки

реакционной смеси в реактор. Благодаря тому, что в РИС-Н реакционная смесь мгновенно перемешивается, во

всем объеме реактора одинакова концентрация исходного реагента, и она тем ниже, чем больше время пребы-

вания реагентов в реакторе. По этой же причине по всему объему реактора одинакова и степень превращения и

скорость реакции. Таким образом, для РИС-Н характерным является отсутствие градиента параметров как во

времени, так и в объеме реактора, поэтому уравнение материального баланса составляют сразу для реактора в

целом. При этом градиенты параметров в дифференциальной форме заменяются разностью значений парамет-

ров на входе в реактор и на выходе из него:

формулы

В реальном реакторе смешения исходная реакционная смесь перемешивается с реакционной смесью, на-

ходящейся в реакторе, не мгновенно, как в РИС-Н, а постепенно, поэтому концентрация исходного реагента по

объему реактора неодинакова и, следовательно, зависимость С f(y)

А

= непрямолинейна (