Изотермический процесс в химическом реакторе в режиме идеального смешения ( периодический реактор) и идеального вытеснения (непрерывного действия реактор).

 

Реактор идеального вытеснения. При прохождении потока через данный реактор все частицы движутся с одной скоростью, не перемешиваясь друг с другом, то есть исходные реагенты не смешиваются с продуктами реакции. В каждом поперечном сечении потока концентрации их выровнены, но плавно изменяются по длине реакционной зоны. Аналогично изменяется скорость процесса.

По мы используем изотермический температурный режим, который характеризуется постоянством температуры по всей длине реакционной зоны. Данный режим в реакторе идеального вытеснения наблюдается в случае протекания химико-технологического процесса без теплового эффекта или когда скорость тепловыделения (теплопоглощения) мала, а теплопроводность среды в реакционной зоне высока.

Необходимое время пребывания реагентов в реакционной зоне рассчитывают по уравнению:

 

,

называемому характеристическим уравнением реактора идеального вытеснения.

В реакторе Идеального вытеснения Реагенты без перемешивания ла­минарным потоком проходят весь реакционный путь, определяемый дли­ной или высотой аппарата, которая значительно больше его диаметра. Ап­параты идеального вытеснения не имеют приспособлений для механиче­ского перемешивания реагентов и обычно представляют собой реакторы трубчатого, шахтного или башенного типов.

Реактор полного смешения. При прохождении потока через данный реактор частица, поступающая в реакционную зону, мгновенно смешиваются с частицами, уже находящимися в этой зоне, то есть равномерно распределяются по всей длине и во всем объёме зоны. В результате во всех точках реакционной зоны мгновенно выравниваются все параметры, характеризующие химико-технологический процесс.

Вследствие полного перемешивания выравнивается и температура во всём объёме реакционной зоны. Таким образом, химико-технологический процесс в потоке полного смешения может протекать только при изотермическом температурном режиме, независимо от значения теплового эффекта, концентрации и степени превращения исходных веществ.

Время пребывания частиц в реакционной зоне распределено не равномерно. Смешение исходных реагентов с продуктами реакции и неравномерность времени пребывания частиц в реакционной зоне приводит к уменьшению движущей силы процесса по сравнению с проведением его в потоке идеального вытеснения.

,

это выражение называют характеристическим уравнением реактора полного смешения.

Можно рассчитывать непосредственно по значениям концентраций,не прибегая к интнгрированию

Реакторы Идеального перемешивания Характеризуются тем, что любая частица реагента, попавшая в данный момент в реакционную зону, благо­даря интенсивному перемешиванию имеет равную со всеми остальными частицами вероятность первой покинуть ее. В таких реакторах любой эле­мент объема мгновенно смешивается со всем содержимым реакционного пространства, так как скорость циркуляционных движений по высоте и се­чению аппарата во много раз больше скорости линейного перемещения среды по оси реактора. Моделью реактора идеального перемешивания мо­гут служить смесители с механическими мешалками, пневматическими и струйными смесителями, а также реакторы с кипящим слоем.

Сравнивая реакторы идеального вытеснения и смешения, необходимо отметить, что реакторы смешения работают, как правило, в изотермиче­ских условиях, а реакторы вытеснения – в адиабатическом или политерми­ческом режимах. При равенстве начальных температур проведение экзо­термического процесса в реакторе смешения сопровождается повышенной (в 5–10 раз) константой скорости реакции по сравнению с проведением то­го же процесса в реакторе вытеснения, однако движущая сила процесса, выраженная разностью равновесного и действительного выхода (Хр – Х), в реакторе вытеснения во много раз больше, чем в реакторе смешения. Кро­ме того, реакторы смешения требуют дополнительных затрат энергии на перемешивание реагентов.