Дәріс 19, 20 – Ағындыларының құрылымы идеал емес химиялық реакторлар

Мазмұны:

1. Идеалдықтан ауытқу себептері

2. Нақтылы реакторлардың моделдері

1. Идеалдықтан ауытқу себептері:

1. Ағынның қандайда бір элементі реакцияға қатыспауы мүмкін, себебі ол реактордағы тоқтап қалған аймаққа түсуі мүмкін. Бұл жерде реакциялық қоспа тұнып қалады да, химиялық реакцияның жылдамдығы 0-ге тең болмағанмен негізгі ағындағы реакцияның жылдамдығынан әлдеқайда төмен болады.

2. Ішкі байпастардың болуы. Әсіресе байпастар құрылысының шешімі жеткіліксіз, реакциялық кеңістік болып түйіршікті катализатордың беті саналатын аппараттарда жиі пайда болады.

3. Молекулалық диффузияның нәтижесінде пайда болуы. Идеалды ығыстыру реакторларына жақын нақтылы реакторларда да ағынның элементтері аппаратта әртүрлі уақыт болады. Бұл ағынның элементтерінің жарым жартылай білікті бағытта байланысты болуы мүмкін.

4. Турбулентті диффузияның нәтижесінде пайда болуы. Турбулентті ағын жылдамдықтың оның орташа мәніне қатысты әртүрлі бағытта қалай болса солай ауытқуымен ерекшеленеді. Бұл кезде тарамдалған бағытта ауытқу шарттардың көлденең қиынды бойынша теңделуіне алып келедіғ яғни идеалды ығыстыру реакторлары үшін өте қажет. Бойлық бағытта ауытқу кезінде, керісінше, ағынның қандайда бір элементтері негізгі ағыннан асып кетеді, ал кейбіреулері қалып қояды, яғни араластыру немесе диффузия жүреді.

5. Тейлор диффузияның нәтижесінде пайда болуы. Бойлық араластыру жылдамдық өрістерінің бірқалыпсыздығының әсеріненде болуы мүмкін.

6. Ағынды ығыстыру реакторларында тұнық аймақтармен қатар айналмалы аймақтары болуы мүмкін. Бұл жерде реакциялық қоспа ағынның өзегінде көп уақыт болады. Ағынның негізгі бөлігі аппарат арқылы орташа болу уақыттан тез өтеді (), себебі аппараттың толық қиындысы арқылы өтпейді.

2. Барлық атап өтілген себептер ағынның идеалды құрылыстан ауытқуына алып келеді. Сондықтан реакторлар теориясында ағынның идеалсыздығын ескеретін моделдер зерттеп дайындалған. Бұл моделдерде белгілі бір дәрежелі жуықталған болып саналады, бірақ олар нақтылы процесті идеалды араластыру мен идеалды ығыстыруға қарағанда дәлірек сипаттайды.

Диффузиялық модель. Бұл модель математикалық концентрацияның химиялық айналдыру нәтижесінде өзгеруі мен қатар реагенттер мен реакция өнімдерінің молекулалы немесе турбулентті диффузияның әсерінен араласуын ескеретін теңдеулермен сипатталады. Диффузиялық модель күйлердің нақтылы аппаратта араласуын ескеретін мүшені енгізу арқылы идеалды ығыстыру моделімен сипатталуы мүмкін. Диффузиялық моделді әдетте бір параметрлі түрде жазады, тек қана бойлық тасымалдауды ескереді. n-ретті қайтымсыз химиялық реакция үшін тұрақты ережеде оның теңдеуі: (1), бұл жерде - бойлық араластыру коэффициенті, ол диффузияның нәтижелі коэффициентіне тең. Өлшемсіз түрде (1) теңдеуінің түрі: (2), бұл жерде φ (х, Т,...) — химиялық реакцияның нәтижесінде концентрацияның өзгеруін ескеретін кинетикалық мүше; z = h/Н — өлшемсіз биіктік, - Пекле критериі. Егер Ре=0 (Д=∞) болса, теңдеуі толық араластыру моделіне айналады, ал егер Ре=∞ (Д=0) – идеалды ығыстыру моделіне.

Нақтылы реактордың жұмысын ығыстыру реакторының жұмысымен салыстыру үшін және (2) теңдеулері бойынша есептелген процестің уақытын салыстыруға болады. Мысалы, бірінші ретті реакция үшін (3), бұл жерде -диффузиялық модель бойынша жұмыс істейтін реактордың көлемі; -ығыстыру реакторының көлемі; -процестің кинетикасын, реакцияның жылдамдық тұрақтысы k, оның жүру уақыты τ арқылы көрсететін, сонымен қатар гидродинамикалық жағдайдың (ағынның сызықтық жылдамдығы ω және араластырудың нәтижелі коэффициенті арқылы) және аппараттың геометриялық өлшемдерінің (биіктігі арқылы) әсерін ескертетін фактор.

Ұяшықты модель. Ол ағынның бағыты бойынша қатарласып байланысқан ұяшықтардың тізбегінен тұрады. Оның мысалы ретінде араластырғыштары бар реакторлардың тізбегін қатыстыруға болады. Ұяшықтардың саны көбейген сайын реактордағы ағынның құрылысы толық араластырудан елеулі ауытқиды және m→∞ болғанда идеалды ығыстыру ағынына айналады. Сонымен, ығыстыру ережесінде жұмыс істейтін реакторды идеалды араластыру ұяшықтарының шексіз тізбегі ретінде қарастыруға болады. Ұяшықтар саны берілген кезде бір ұяшықтағы тасымалдау бөлшектерінің санын, ал оны біліп аппараттың өлшемдерін анықтауға болады. Егер реакторда ұяшықтар саны n>5 болса, онда, мұндай реактор өндірістік тәжірибеде жеткілікті дәлдікпен ығыстыру моделі бойынша есептелуі мүмкін. Көбінесе мұндай еспетеуді ЭЕМ-дың көмегімен жүргізеді.

Өзін-өзі бақылауға арналған сұрақтар:

1. Идеалдықтан уаытқудың себептері неде?

2. Реактордың идеалсыздығын ескеретін қандай модельдер қолданады?

3. Диффизиялық моделдің артықшылығы?

Ұсынылған әдебиеттер:

1. Общая химическая технология: в 2-х ч.,/под ред. И.П. Мухленова. М:1984.

2. Кутепов А.М. и др. Общая химическая технология. М:1990.

3. Основы химической технологии/под ред. И.П. Мухленова М:1991.

4. Вольфкович С.И. Общая химическая технология. М: 1959

5. Соколов Р.С. Химическая технология: в 2-х т. М: 2000.