11.5 Реактори безперервної дії

У реакторах безперервної дії (чи проточних реакторах) живлення реагентами і відвід продуктів реакції здійснюється безперервно. Якщо в періодичному реакторі можна безпосередньо за годинником вимірити тривалість реакції, оскільки показники процесу змінюються в часі, то в реакторі безперервної дії це зробити не можна, тому що при сталому режимі ці параметри не змінюються в часі. У зв'язку з цим для безперервних реакторів застосовують поняття умовного часу перебування реагентів у системі (час контакту), що визначається за рівнянням:

, (11.13)

де −умовний час перебування; V_р–об'єм реактора; V_с–об'єм реакційної суміші, що надходить в одиницю часу (об'ємні витрати реагентів).

11.5.1 Реактор ідеального витіснення (рів)

РІВ являє собою трубчастий апарат, у якого відношення довжини труби L до її діаметра d–досить велике. У реактор безперервно надходять реагенти, що перетворюються в продукти в міру переміщення їх по довжині реактора.

Гідродинамічний режим у РІВ характеризується тим, що будь-яка частка потоку рухається тільки в одному напрямку по довжині реактора, подовжнє перемішування відсутнє, відсутнє також перемішування по перерізу реактора. Передбачається, що розподіл речовин по цьому перерізу рівномірний, тобто значення параметрів реакційної суміші по перерізу однакові.

Кожен елемент об’єму реакційної маси dV не змішується ні з попередніми, ні з наступними об’ємами, і поводиться як поршень у циліндрі. Такий режим називається поршневим чи повним витісненням. Склад кожного елемента об’єму послідовно змінюється внаслідок перебігання хімічної реакції.

Для складання математичного описання РІВ виходять з диференціального рівняння матеріального балансу.

Оскільки в РІВ реакційна суміш рухається тільки в одному напрямку ( по довжині L), то

і , , (11.14)

якщо вибрати за напрямок осі Х напрямок руху потоку в реакторі, де W – лінійна швидкість руху суміші; l−довжина (довжина шляху, що подолав елемент об”єму реакційної суміші в реакторі) .

Рис. 11.3. Зміна концентрації реагенту С_A і ступеня перетворення Х_A по довжині реактора L

Так як кожен елемент об'єму не змішується ні з попереднім, ні з наступним, немає ні подовжньої, ні радіальної дифузії, а молекулярна дифузія мала, то:

тоді (11.15)

Це рівняння матеріального балансу є математичним описанням потоку реагентів у РІВ при нестаціонарному режимі (коли параметри змінюються не тільки по довжині реактора, але й несталі в часі (період пуску або зупинки). Член характеризується зміною концентрації А в часі для даної точки реактора.

Стаціонарний режим характеризується тим, що параметри в кожній точці реакційного об’єму не зміняються в часі і .

Тоді: .

Швидкість , ,

Якщо обєм реакційної суміші не змінюється в процесі, справедливе рівняння:

,

після диференціювання якого отримаємо:

,

,

(11.16)

Інтегруючи це рівняння в межах зміни ступеня перетворення від 0 до Х, одержимо: (11.17)

З отриманих даних видно, що рівняння для РІВ в загальному вигляді таке ж, як і для РІЗ–П.