- •Министерство образования и науки украины
- •Химические реакторы
- •Классификация реакторов
- •Структура математической модели химического реактора
- •Реакторы непрерывного действия
- •Каскад реакторов идеального смешения
- •Графический метод расчета к – рис
- •Параллельные и последовательные реакции
- •Селективность, выход, степень превращения
- •Селективность различных реакций
- •Последовательные реакции
- •Зависимость селективности от степени превращения
- •Модели ректоров с неидеальной структурой потока
- •Каталитические процессы
- •Сущность и виды катализа
- •Гомогенный и гетерогенный катализ
- •Гетерогенный катализ
- •Свойства твердых катализаторов и их изготовление
- •Зависимость степени превращения от температуры
- •Однако все контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора обладает следующими недостатками, присущие фильтрующему слою и затрудняющие дальнейшую интенсификацию. Недостатки фильтрующего слоя
- •Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях
Модели ректоров с неидеальной структурой потока
В теории реакторов разработаны модели, позволяющие учесть неидеальность потока. Эти модели тоже являются приближенными, однако они более точно описывают реальный процесс, чем модели идеального смешения или вытеснения.
Математические модели реальных реакторов могут быть построены на основе двух подходов.
Основан на мысленной замене реального реактора той или иной комбинацией идеальных аппаратов.
При составлении математического описания стремятся учесть все реальные физические явления, происходящие в аппарате и внести их в уравнение модели.
При первом подходе математическая модель представляет собой систему уравнений, объединяющих математические описания нескольких идеальных реаторов. Число уравнений может быть велико, но по структуре они остаются такими же простыми, как и уравнения идеальных моделей.
При втором подходе число уравнений может быть меньше, но они более сложные и следовательно сложные методы их решения.
Большинство производственных реакторов работает в режиме частичного или локального перемешивания реагентов с продуктами реакции, т. е. реальный реактор занимает некоторое промежуточное положение между реакторами полного смешения и идеального вытеснения. Такие реакторы достаточно точно описываются так называемой диффузионной моделью.
Диффузионная модель. Эта модель математически выражается уравнениями, в которых учтено изменение концентрации не только вследствие химического превращения (как при идеальном вытеснении), но и в результате некоторого перемешивания реагентов и продуктов реакции за счет молекулярной или турбулентной диффузии. Диффузионная модель может быть описана моделью идеального вытеснения с введением членов, учитывающих соответствующее перемешивание фаз в реальном аппарате.
Радиальное перемешивание сглаживает температурные и концентрационные поля в горизонтальном (элементарном) слое и выравнивает время пребывания отдельных частиц. Таким образом, радиальное перемешивание всегда полезно и оно мало влияет на модель реактора. Поэтому уравнение диффузионной модели обычно записывают в однопараметрическом виде, учитывая только продольный перенос. Для необратимой химической реакции п-го порядка при установившемся (стационарном) режиме оно имеет вид
где DL — коэффициент продольного перемешивания, равный эффективному коэффициенту диффузии.
Его удобно представить в безразмерном виде, введя новую переменную l—x/L, где L — длина реактора., тогда x=lL, dx = Ldl. С учетом соотношения
L/ω, и выражения гдеРе – диффузионный критерий Пекле
в безразмерном виде уравнение запишется как
Уравнение решается с определенными граничными условиями и, как правило, с использованием ЭВМ. Оно охватывает весь диапазон реальных реакторов, работающих без застойных зон и байпасирования реагентов. Если Ре = 0 , уравнениепреобразуется в модель полного смешения; при—в модель идеального вытеснения.
Для реакции первого порядка решение дифференциального уравнения дает следующий результат:
,
где
Характер изменения степени превращения по высоте реактора при различных числах Пекле (рис. 1) подтверждает это положение.
Рис.1. Зависимость изменения степени превращения вещества х по высоте изотермического реактора при различных значениях критерия Ре
Рис.2 . Кривые отклика на импульсное возмущение в реакторах различного типа:
1 — идеального вытеснения; 2 — полного смешения; 3 — произвольного режима
Вывод функций распределения времени пребывания для реакторов, описываемых однопараметрической диффузионной моделью основан на расчете концентрации индикатора на выходе из реактора. Для этого необходимо решить дифференциальное уравнение диффузионной модели в нестационарном режиме без учета химической реакции
Ячеистая модель
В ячеистой модели реальный аппарат мысленно расчленяют на N последовательно соединенных ячеек идеального смешения.
Суммарный объем всех ячеек равен полному объему реактора.
Такая замена правомерна по следующим причинам: 1) каскад реакторов при N = 1 – единичный реактор идеального смешения, а при N = ∞ и бесконечно малых объемах секций вырождается в реактор идеального вытеснения.
Таким образом, помощью модели каскада реакторов идеального смешения можно описать предельные гидродинамические режимы. А в реальном реакторе существует промежуточный режим, который можно описать с помощью модели каскада РИС, состоящий из N ячеек, причем N 1 и с другой стороныN является конечным числом. Как правило, можно удовлетворительно описать реальный реактор при N < 10. Число ячеек N, заменяющих реальный реактор, и является единственным параметром ячеистой модели. При ивестном N - это расчет каскада К – РИС.