Изменение концентрации основного исходного вещества по ступеням каскада реакторов полного смешения

Каскад представляет собой несколько последовательно соединенных проточных реакторов идеального смешения (Рис 5.9. Схема каскада реакторов идеального смешения)

Реакционная смесь проходит через все секции. Можно рассматривать в кач. примера такой модели не только систему послед-но располож. отдельных апп-ов, но и проточный реактор, разделенный внутри на секции. Например, близка к такому типу апп-та тарельчатая барботажная колонна (Рис. 5.10 Схема секционного апп-та с перемешиванием).

Для каскада реакторов идеального смешения должны выполняться допущения: 1) в каждой секции каскада выполн. условия реактора идеального смешения(мгновенное изменение парам-ов процесса, равенство парам-ов во всех точках секции и в потоке, выходящим из нее); 2) отсутствие обратного влияния: каждый последующий реактор не влияет на предыдущий. На рис. 5.11 сравнивается хар-тер изменения концентрации исходного реагента при прохождение реакционной смеси через различные реакторы.

Рис 5.11. Изменение концентрации реагента при прохождении реакционной смеси через последовательные секции единичного реактора идеального смешения (1), реакторы идеального вытеснения (2) и каскада реакторв идеального смешения (3). В каскаде реакторов полного перемешивания состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного апп-та в другой, а в каждом реакторе концентрационные и тем-ные поля безградиентны. Расчет каскада реакторов осущ-ся путем суммирования всех изменений, происход-щих в каждой ступени каскада. Поэтому концентрация основн. вещ-ва выходящего из N-го реактора каскада, для необротимой реакции первого порядка определяется как С_ИN=С_И⁰/(1+k_Cτ)^NВыходной параметр для первой секции(концентрация) явл. входным параметром для второй секции.Расчет каскада реакторов идеаль. смешения обычно сводится к определению числа секций заданного объема необходимых для достиж. определенной глубины превращения, или к определению состава реакц/ смеси на выходе из i-ой секции каскада.

19)Общий вид и приемы поддержания темпер-го режима в адиабатич-х,изотермич-х и политермич-х ап-тах. По темпер-му режиму реакторы подразделяются на адиабатич., изотермич. и политерми­ч.(программно-регулируемые). Адиабатич. реакторы при спокойном (без пе­ремешивания) течении потока реагентов не имеют теплообмена с ок­р. средой, т. е. снабжены хорошей тепловой изоляцией.Вся теплота реакции аккумулируется потоком реагирующих вещ-в.Темпер-ый режим процесса в любой точке по высоте реактора опис-ся ур-ем:t_K=t_H± (∑q_P *X/Gc) =t_H±(C_И⁰q_P/c),где t_K, t_H —конечная и начальная тем-ры системы; q_p —тепловой эффект реакции (процесса) при полном превра­щении исходного вещ-ва или же при полном переходе основного компонента из одной фазы в другую в гетерогенных процессах; G — общее кол-во реакционной смеси, кг; с — средняя теплоемкость смеси в интервале тем-р t_н — t_к, кДж/(моль * К): Х— степень превращения.Это соотношение представляет собой ур-е прямой- t_K= t_H±λx, где λ – адиабатический коэф.процесса. Знак «+» соответствует протеканию экзо-, знак «-» —эндотер­мического процессов. Величину λ можно определить как тангенс угла наклона прямой (рис. 36).

Рис. 36. Зав-ть конечной тем-ры процесса t_к от степени превращения х для экзотермич. (а) и эндотермич. (б) реакций в адиабатическом реакторе идеаль. вытеснения.

Рис. 37 Изменение тем-ры t, скорости реакции u и степени превращения х по высоте адиабатич. ректора идеально вытеснения. Скорость реакции на входе в ап-т (малые степени превращения) мала из-за низкой тем-ры системы, а на участках, близких к выводу, она также мала, так как степень превращения стремится к х_р (или к единице).По типу, близкому к адиабатич-му реактору вытеснения, ра­ботают контактные ап-ты с фильтрующим слоем катализатора, камерные реакторы для осущ-я гомогенных превращений, прямоточные абсорберы с изолирующей футеровкой и др. Изотермические реакторы имеют постоянную тем­-ру во всех точках реакционного объема, т. е. (t_к = t_ср).Скорость процесса определяется только кон­центрацией реагирующих компонентов.Способы достижения изотермичности различны. Можно прибли­зиться при помощи теплообменных устройств, помещенных в реакционный объем (для отвода теплоты в экзотермич. и подвода в эндотермич. реакциях). При этом в каждом элементарном объеме ап-та отвод или подвод теплоты Q_п должен быть равен теплоте реакции Q_p, т. е. Qp=q_pC⁰_иxG=k_tF∆t_срτ= Q_п, где k_t — коэф-т теплопередачи через теплообменную поверх­-ть F при средней движущей силе ∆t_cp за время τ. Изотермич. режим достигается при перемеши­вании реагентов а ап-те с мешалкой и в реакторах со взвешенным (кипящим, пенным) слоем, т. е. в ап-ах, в которых гидродинами­ческий режим обеспечивает приближение к полному перемешиванию реагентов с продуктами реакции и инертными компонентами.Такие реакторы могут работать изотермически при регулировании тем-ры путем установки теплообменников (но без равенства (Qп и Qp) или же изотермически и адиабатически одновременно, когда во всем объеме тем-ра равна конечной. Изотермич. режим приближенно соблюдается в реакторах с малой концентрацией исходных вещ-в и в реакциях с малым тепловым эффектом. В отдельных случаях изотермичность в реакторе достигается за счет теплового равновесия

экзо- и эндотермического превращении, например компенсацией теп­лоты экзотермической реакции испарением растворителя (воды). Политермическими наз-ся реакторы, в которых теплота реакции лишь частично компенсируется за счет отвода (под­вода) теплоты или процессов с тепловым эффектом, противоположным по знаку основному. Поскольку частичный подвод теплоты рассчитывается (программируется) при проектировании и может регули­роваться при колебаниях режима, такие аппараты называют также программно-регулируемыми. К политермич. ап-ам относят реакторы с малой степенью смешения реагирующих веществ и тепло­обменниками, помещенными внутри реакционного объема, например трубчатые контактные аппараты. Тем-ра по высоте H таких ап-ов при осущ-ии экзотермических процессов изменяется по характерной кривой (рис. 38).

Рис.38. Изменение тем-ры по высоте политермич. реактора.

Изменение тем-ры для каждого элементарного объема по высоте политермического реактора вытеснения рассчитывается по ур-ю:t_K-t_H=∆t=±(∆H⁰_PC⁰_ИX/c)±(k_TF∆tτ/Gc),где F —поверхность теплопередачи: ∆Hp = -q_p. По типу политермического режима работают многие шахтные пе­чи—доменные, известково-обжигательные и др., большинство насадочных башен для осущ-я абсорбционных или десорбционных процессов.