Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме (рис. 5.4). Каждый элемент потока, условно выделенный двумя плоско­стями, перпендикулярными оси канала, движется через него как твер­дый поршень, вытесняя предыдущие элементы потока и не перемешива­ясь ни с предыдущими, ни со следующими за ним элементами.

Если в реакторе идеального смешения перемешивание носит глобальный ха­рактер и за счет него параметры про­цесса полностью выравниваются по объему аппарата, то в реакторе идеального вытеснения перемешива­ние является локальным: оно проис­ходит в каждом элементе потока, а между соседними по оси реактора элементами, как уже указывалось, перемешивания нет.

Идеальное вытеснение возможно при выполнении следующих до­пущений: 1) движущийся поток имеет плоский профиль линейных скоростей; 2) отсутствует обусловленное любыми причинами переме­шивание в направлении оси потока; 3) в каждом отдельно взятом сече­нии, перпендикулярном оси потока, параметры процесса (концентра­ции, температуры и т.д.) полностью выровнены.

Следует отметить, что строго эти допущения в реальных реакторах не выполняются. Из гидравлики известно, что даже в очень гладких каналах при движении потока, характеризующегося высокими числами Рейнольдса, у стенок канала существует так называемый погранич­ный вязкий подслой, в котором градиент линейной скорости очень ве­лик. Максимально приблизиться к идеальному вытеснению можно лишь в развитом турбулентном режиме.

Однако турбулентный поток характеризуется наличием нерегуляр­ных пульсаций, носящих хаотичный характер, в результате чего неко­торые частицы потока могут опережать основной поток или отставать от него, т. е. произойдет частичное перемешивание в осевом направле­нии. Конечно, абсолютные значения таких перемещений будут невели­ки по сравнению с основным осевым перемещением потока и при боль­ших линейных скоростях ими можно пренебречь. В то же время турбулентные пульсации в радиальном направлении будут способствовать локальному перемешиванию реагентов и выполнению третьего допу­щения.

В реальном реакторе можно приблизиться к режиму идеального вытеснения, если реакционный поток — турбулентный и при этом дли­на канала существенно превышает его поперечный размер (например, для цилиндрических труб ).

В соответствии с принятыми допущениями общее уравнение мате­риального баланса для реактора идеального вытеснения в нестационар­ном режиме работы:

(5.15)

Из уравнения (5.15) видно, что в нестационарном реакторе идеаль­ного вытеснения концентрация участника реакции является функ­цией двух переменных — координаты z и времени . При стационарном режиме уравнение будет еще более простым (в этом случае концентра­ция является только функцией координаты z):

(5.16)

Говоря о среднем времени пребывания для реактора идеального вытеснения, необходимо помнить, что в силу первого допущения о пло­ском профиле линейных скоростей действительное время пребывания всех частиц потока в аппарате будет одинаковым и как раз равным

(5.19)

Билет №13.