Химический реактор — агрегат для проведения химических реакций объёмом от нескольких миллилитров до десятков кубометров. В зависимости от условий протекания реакций и технологических требований реакторы делятся: реакторы для реакций в гомогенных системах и в гетерогенных системах; реакторы низкого, среднего и высокого давления; реакторы низкотемпературные и высокотемпературные; реакторы периодического, полунепрерывного и непрерывного действия.
Цель работы реактора – выработка конечного продукта из исходных компонентов при соблюдении требований максимальной эффективности процесса:
1. Создание устойчивого и стабильного режима проведения реакции;
2. высокие энергетические показатели;
3. минимальная стоимость реактора;
4. простота работы и ремонта.
Существует две основные модели протекания реакций в реакторах: - Реактор идеального смешения - Реактор идеального вытеснения
Модель РИВ (реактора идеального вытеснения)
Реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемещение имеет локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями. Реакторы вытеснения бывают двух видов: идеального и полного вытеснения, более подробно рассмотрим реактор идеального вытеснения.
Идеальное вытеснение предполагает, что любое количество реагентов и продуктов через реактор перемещается как твердый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явлений устанавливается определенное распределение концентраций участников реакции, температуры и других параметров.К реакторам идеального вытеснения относятся те аппараты, в которых отсутствует радиальное и продольное перемешивание.
Реактор представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. Изменение концентрации происходит по длине. Выделим элементарный объем dV, для которого считается материальный баланс, где ZNA-концентрация ключевого реагента.
Адиабатическим РИВ называется реактор, работающий без подвода и отвода теплоты в окружающую среду через стенки реактора или при помощи теплообменных элементов. Вся выделяемая (поглощаемая) теплота аккумулируется реакционной смесью.
Модель РПС (реактора полного смешения)
Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом. Реактор полного смешения характеризуется тем, что любой элемент объема реагирующей смеси мгновенно перемешивается со всей средой, содержащейся в реакторе, так как скорость циркуляционных движений по сечению и оси аппарата во много раз больше, чем линейная скорость по оси.
Адиабатическим РПС называется реактор, работающий без подвода и отвода теплоты в окружающую среду через стенки реактора или при помощи теплообменных элементов, в котором температура в любой момент времени постоянна во всём объема. То есть адиабатический РПС одновременно является и изотермическим.
Задача.
Вывод:
При постоянстве управляющих параметров(t,p) увеличение объема реактора идеального вытеснения в изотермическом режиме приведет к увеличению степени превращения. Диапазон изменения степени превращения определяется значениями управляющих параметров, т.к. от численного значения управляющих параметров зависит величина равновесной степени превращения ключевого компонента.
При увеличении объема реактора степень превращения на выходе из реактора будет увеличиваться асимптотически, приближаясь к равновесной степени превращения, но ее не достигая.
Объем реактора идеального вытеснения в адиабатическом режиме, обеспечивающий минимальную себестоимость будет соответствовать объему, обеспечивающему максимальную скорость экзотермической реакции, т.е. тот объем реактора, который позволяет реакционной смеси разогреется до оптимальной температуры.
В реакторе полного смешения при увеличении начальной температуры, требуемый объём реактора уменьшатся, т.к. растёт скорость реакции, а следовательно, уменьшается время её протекания.
При увеличении давления в РПС, его объём уменьшатся, т.к. растёт скорость реакции, а, следовательно, уменьшается время её протекания.
