Основные требования к промышленным реакторам.

1. Максимальная производительность реактора.

2. Максимальная интенсивность осуществления процесса – производительность, отнесённая к объёму реактора или площади поперечного сечения.

3. Высокий выход целевого продукта и максимально возможная x_A.

4. Минимальные энергетические и тепловые затраты на осуществление химического превращения и транспортировку реагентов и продуктов через реактор.

при U_R=const

B –объёмный расход

Производится технико-экономический расчёт.

5. Реактор должен быть легкоуправляем, обеспечивать устойчивость технологического режима и безопасность работы. Это обеспечивается рациональной конструкцией.

6. Низкая стоимость изготовления, лёгкость его обслуживания и ремонта.

Технологическая классификация.

Конструкции реакторов могут быть сгруппированы по следующим признакам:

1. По способу подвода реагентов и отвода продуктов (способ организации процесса):

а) периодического действия;

б) непрерывного действия;

в) полунепрерывного действия.

2. По виду перемешивания в пространстве (по режиму движения реакционной смеси):

а) ёмкостные (перемешивание механическими, циркуляционными, пневматическими методами);

б) трубчатые (длина >>диаметра).

3. По тепловому режиму в реакторе:

а) изотермические реакторы (в ходе реакции поддерживается постоянная температура реакционной смеси);

б) адиабатические (изолирован от внешней среды по тепловому потоку).

4) По фазовому состоянию реакционной смеси:

а) для гомогенных химических реакций

б) для гетерогенных химических реакций.

Математические модели основных типов химических реакторов.

1. Характеристическое уравнение идеальных типов изотермических реакторов для осуществления гомогенных процессов.

Составление математической модели реактора основывается на законах сохранения. Полное математическое описание реактора возможно при совместном решении следующих дифференциальных уравнений: Навье-Стокса, конвективного массообмена, Дамкелера, теплопередачи. В данных условиях решение такой системы уравнений невозможно, поэтому делают допущения. Составление химических уравнений для математических потоков.

Запишем уравнение Дамкелера для потока компонента:

1. Для идеальных типов реакторов пренебрегают дифференциальным потоком: .

Реакция гомогенная:

математическая модель химического реактора для гомогенного изотермического процесса

Реактор периодического действия (рпд).

реактор ёмкостного типа с перемешивающим устройством; характеризуется разовой загрузкой компонента, последующей обработкой до заданной Х_А, единовременной выгрузкой продукта.

В уравнении слагаемое , так как система закрытая.

Следовательно, .

Предположим, что в этом реакторе идёт реакция первого порядка.

;

Реакторы непрерывного действия.

Характеризуются непрерывным вводом исходных реагентов при непрерывном выводе получаемых продуктов. В соответствие с классификацией зависимости от режима движения реакционной среды, РПД подразделяются на:

• реакторы вытеснения;

• реакторы смешения.

В таких реакторах осуществляется стационарный режим осуществления процесса.

Реактор идеального вытеснения (РИВ).

Допущения для модели идеального вытеснения:

1. в РИВ каждый элемент объёма реакционной массы движется вдоль оси реактора, не смешиваясь с предыдущими и последующими объёмами, т.е. осуществляется поршневой режим движения элемента объёма.

В реальности этот режим не соблюдается.

2. состав элемента объёма последовательно не изменяется при движении вдоль оси реактора, вследствие прохождения химической реакции

3. время пребывания каждого элемента объёма в реакторе одинаковое

4. гидродинамический режим в реакторе вытеснения характеризуется тем, что каждый элемент объёма движется только в одном направлении, т.е. полностью отсутствует обратное перемешивание. Это значит, что по сечению реактора предполагается постоянство всех технологических параметров: С, _{R, …}

5. реактор не имеет конструктивных приспособлений для перемешивания и характеризуется большим отношением длины к диаметру.

В целом, все эти допущения приводят к идеальности структуры движения потока в реакторе.

Так как технологическая переменная изменяется в пространстве, записываем уравнение материального баланса для элемента объёма dU_R с последующим интегрированием по всему объёма реактора.

С учётом и при условии, что степень превращения увеличивается в каждом элементе объёма, уравнение закона сохранения для объёма dU_R:

;

- среднее время пребывания реагента в реакторе.

Вследствие принятых допущений, каждый элемент объёма может быть рассмотрен как реактор периодического действия, время пребывания реагентов в котором равно среднему времени пребывания элемента объёма в реакторе .

Если в РИВ осуществляется реакция первого порядка.

;

Если реакция параллельная.

Так как

Реактор идеального смешения (РИС).

Допущения: 1) Считается, что в РИС исходная реакционная смесь мгновенно перемешивается с реакционной массой внутри реактора, приобретая такую же концентрацию, как и на выходе из реактора.

Следовательно, во всех точках аппарата концентрации одинаковы.

2. Так как концентрации одинаковы, то равны и скорости реакции во всех точках аппарата.

3. Реактор ёмкостного типа с перемешивающим устройством.

Таким образом, в реакторе такого типа отсутствует изменение технологической переменной, как в пространстве, так и во времени. Поэтому от дифференциального метода можно отказаться.

Составим уравнение материального баланса на весь аппарат в целом.

Если осуществляется реакция первого порядка.

;

;