Сравнение эффективности проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения

Сравним эффективность работы идеальных проточных реакторов для случая проведения в них простых реакций, не осложненных по­бочными взаимодействиями, Зададимся одинаковой степенью превра­щения исходного реагента и будем считать более эффективным тот ре­актор, в котором для достижения заданных результатов требуется меньшее среднее время пребывания

Для проточного реактора идеального смешения при заданной глу­бине превращения (концентрации исходного реагента А в выходном потоке или соответствующей ей степени превращения ) среднее время пребывания в соответствии можно определить как произведение двух постоянных величин:

Для стационарного реактора идеального вытеснения

Из рис. 5.7 видно, что площади криволинейных трапеций,

со­ответствующие , меньше площадей прямоугольников, соответствую­щих , причем разница тем больше, чем больше достигаемая в реакторе степень превращения исходного реагента. Следовательно, при рав­ном объемном расходе для достижения одинаковых результатов реак­тор идеального вытеснения должен иметь меньший объем, чем проточ­ный реактор идеального смешения. Интенсивность реактора идеаль­ного вытеснения будет выше. Объяснить это можно более высокой скоростью реакции в реакторе вытеснения вслед­ствие более высокой концентрации реагентов.

Сравним проточные реакторы идеального вы­теснения и идеального сме­шения при проведении па­раллельных реакции раз­ного порядка

по выходу целевого продукта R. Будем считать, что в обоих типах ре­акторов достигается одинаковая степень превращения исходного ре­агента А (т. е. заранее примем, что ).

Выход целевого продукта R для параллельных реакций (I) может быть представлен в виде формулы

(5.20)

Если порядок целевой реакции превышает порядок побочной па­раллельной реакции (), то выход целевого продукта выше в реакторе идеального вытеснения (рис. 5.8, а). При этом, как указано выше, и среднее время пребывания для достижения заданной степени превращения реагентов меньше, чем в реакторе идеального смешения.

Если порядок целевой реакции меньше порядка побочной реакции (), более высокое значение выхода целевого продукта достигается в реакторе идеального смешения (рис. 5.8, б). Однако в рассмат­риваемом случае, т. е. при одинаковой степени превращения исход­ного реагента, среднее время пребывания в реакторе идеального смешения больше, чем в реакторе идеального вытеснения.

Если целевая и побочная реакции имеют одинаковый порядок ( ), выход целевого продукта при равной степени превращения исходного реагента не зависит от типа реактора (рис. 5.8, в).

Проведенное сравнение показывает, что в ряде случаев для достиже­ния высокого выхода целевого продукта эффективнее реактор идеаль­ного вытеснения, а иногда реактор идеального смешения. При этом не­обходимо отметить, что даже при достижении более высокого выхода целевого продукта при равной степени превращения реактор идеаль­ного смешения имеет больший объем, чем реактор идеального вытесне­ния.

При сравнении не учитывался ряд факторов, ограничивающих при­менение аппаратов, работающих в режиме, близком к идеальному вы­теснению. К ним следует отнести, например, большое гидравлическое сопротивление трубчатых реакторов, трудность чистки таких аппа­ратов и т. д. Конструктивно проточные аппараты с интенсивным пере­мешиванием проще, но обладают тем характерным недостатком, что в них устанавливается низкая концентрация исходного реагента (равная конечной) и, следовательно, низкой будет скорость химической реак­ции.

Каскад реакторов идеального смешения

Каскад представляет собой несколько последовательно соединенных проточных реакторов (секций) идеального смешения (рис. 5.9). Реак­ционная смесь последовательно проходит через все секции. Можно рас­сматривать в качестве примера такой модели не только систему после­довательно расположенных отдельных аппаратов, но и проточный ре­актор, тем или иным образом разделенный внутри на секции, в каждой из которых осуществляется перемешивание реакционной смеси. Например, близка к такому типу аппарата тарельчатая барботажная колонна.

Для каскада реакторов идеального смешения должны выполняться следующие допущения об идеальности:

1) в каждой секции каскада выполняются условия реактора иде­ального смешения, т. е. мгновенное изменение параметров процесса, равенство параметров во всех точках секции и в потоке, выходящем из нее;

2) отсутствие обратного влияния: каждый последующий реактор не влияет на предыдущий.

Математическая модель каскада реакторов идеального смешения, работающего в изотермическом режиме, представляет собой систему уравнений материального баланса по какому-либо участнику реакции, включающую по меньшей мере N уравнений по числу секций каскада:

……………………………..

Билет №14.

Однопараметрическая диффузионная модель. Ячеечная модель.

Ячеечная модель. Аппарат рассматривается, как бы состоящим из ряда последовательно соединенных по ходу потока одинаковых ячеек в каждой из которых поток идеально перемешан. Наиболее близко этой модели отвечает поток в реальном каскаде аппаратов с мешалками. Суммарный объем всех ячеек равен полному объему реактора. Правомерность такой замены вытекает из сравнения каскада реакторов идеального смешения с единичными реакторами идеально­го смешения и идеального вытес­нения. Как правило, применение ячеечной модели при N 10 позволяет удовлетворительно описать реальный реактор. Число ячеек, заменяющих реальный реактор, является единственным параметром ячеечной модели. При известном n расчет реактора ничем не отличается от расчета каскада проточных реакторов ид смеш и представляет собой последовательное решение уравнений матем модели каждой ячейки (секции) ид смеш.