Химические реакторы с идеальной структурой потока в изотермическом режиме

 

В таких реакторах внутри их объема отсутствует движущая сила теплообмена (∆ Т = 0), то из математической модели реактора первоначально можно исключить уравнение теплового баланса. В таком случае математическая модель сводится к уравнению материального баланса, учитывающему химическую реакцию, массообмен и перенос импульса.

Для дальнейшего упрощения математической модели можно выделить в самостоятельную группу реакторы с идеальной структурой потока – идеального смешения и идеального вытеснения. Допущения об идеальной структуре потока позволяют исключить ряд операторов из общего уравнения материального баланса и тем самым существенно упростить расчеты на основе этого уравнения.

Одной из важнейших характеристик реактора является удельная производительность, т.е. количество целевого продукта В, получаемого в единицу времени в единице объема. Для непрерывно действующих реакторов в стационарных условиях она равна:

       (1)

Для аппаратов периодического действия:

              (2)

t и t₀ – время реакции и время непроизводительных затрат соответственно.

При протекании простых реакций:

        (3)

В сложных реакциях необходим учет селективности:

 (4)

Объем реактора тесно связан с временем пребывания (временем контакта):

            (5)

 

 

Реактор идеального смешения

Для модели идеального смешения принимается ряд допущений. Допускается, что в результате интенсивного перемешивания устанавливаются абсолютно одинаковые условия в любой точке реактора: концентрации реагентов и продуктов, степени превращения реагентов, температура, скорость химической реакции и т. д. Например, в некоторый момент времени τ _j во всех точках реактора выполняются следующие условия:

где x, у, z – пространственные координаты.

В проточном реакторе идеального смешения концентрации элементов реакции в выходном потоке в рассматриваемый момент времени τ _i строго равны концентрациям тех же веществ в реакторе.

Чтобы перечисленные допущения могли быть выполнены, необходимо принять еще одно допущение: переход от одной концентрации к другой в реакторе идеального смешения не должен иметь протяженности во времени. Изменение концентрации исходного реагента от начальной во входном потоке в данный момент времени до концентрации в реакторе в этот же момент времени должно происходить мгновенно (скачкообразно).

Приблизиться к режиму идеального смешения можно, обеспечив интенсивное перемешивание реакционной смеси механическими мешалками разного типа или циркуляционными насосами, создающими высокую кратность циркуляции. Смешение, близкое к идеальному смешению, легче выполнить в емкостных аппаратах с приблизительно равным диаметром и высотой.

Так как в реакторе идеального смешения концентрации элементов реакции равномерно распределены по объему, то уравнение материального баланса, выведенное для элементарного объема, можно распространить на полный объем реактора.