20. Основы расчета реакторов с неидеальным потоком движения реакционной среды, использование ячеечной и диффузионной модели для расчета реальных реакторов.

В идеальных проточных реакторах частицы находятся в одно и то же время . При одинаковом времени пребывания достигается и одинаковая степень превращенияX_i.

Отклонение от идеального течения.

В реальных проточных реакторах время пребывания может отличаться от , что приводит к изменениюX_i, а изменение X_i будет приводить к изменению материального баланса реактора. На течение жидкости в реакторах оказывает влияние следующие группы факторов:

- конструкционный фактор;

- диффузионный фактор;

Использование ячеечной и диффузионной модели для расчета реальных реакторов

Ячеечная модель

Реальный аппарат мысленно расчленяют на N последовательных соединенных ячеек идеального смещения.

Как правило при N<10 удовлетворительно описывается реальный реактор.

Число ячеек N, заменяющих реальный реактор, является единственным параметром ячеечной модели.

При известном N расчет реактора на основе ячеечной модели по сути дела не отличается от расчета РИС-Н-К и представляет собой последовательное решение уравнений математической модели каждой ячейки идеального смешения. Число ячеек в ячеечной модели устанавливают экспериментальным путем.

Диффузионная модель

В диффузионной модели существует некий промежуточный гидродинамический режим между идеальным вытеснением и смешением.

Диффузионная модель проточного реактора учитывает перемешивание реакционной среды в осевом направлении, вызванными различными видами диффузии. Общее уравнение потока веществ для однопараметрических моделей химических реакторов можно записать с помощью уравнения:

Или (1),

где U_L – линейная скорость потока в направлении оси реактора; D_L – коэффициент продольной диффузии.

Первый член уравнения (1) ответственный за осевое перемещение, интенсивность которого определяется коэффициентом D_L. Второй член уравнения характеризует конвективный перенос i-ого вещества со скоростью U_L.

В предельных случаях уравнение может быть использовано для описания РИВ и РИС-Н.

Если первый член = 0, , то

и получаем РИВ.

Если , т. е. имеет место равномерное распределение по объему, то

Следует отметить, что расчет РИС-Н по уравнению затруднен, т. к. в РИС C_i(l) является разрывной функцией (на входе в реактор происходит скачкообразные изменения от C_i,0 до входной концентрации C_i).

Степень приближения реальной гидродинамической обстановки к одной из реальных зависит от соотношения величин конвективной и диффузионных составляющих уравнения динамики.

Используя методы теории подобия, являющихся мерой относительной эффективности –х физических процессов: конвективного переноса в направлении оси реактора и диффузионного перемешивания:

B₀ – критерий Боденштейна или диффузионный критерий Пекле.

Если B₀ – большое значение, то конвективный перенос >> диффузионного перемешивания, а это возможно при больших значениях длины и линейной скорости, либо при низких значениях D_L.

Если B₀=∞ - получаем РИВ.

Если B₀ – малое значение, что возможно при малых l или U, либо при больших D_L, то преобладает диффузионное перемешивание.

Если B₀=0 - получаем РИС-Н.

Значение критерия Боденштейна коррелирует с типом диффузионной модели м находится также экспериментальным путем.

Расчеты на основе диффузионной модели существенно сложнее, чем на основе ячеечной.

Аналитическое решение уравнения диффузионной модели возможно лишь для стационарного реактора при проведении в нем реакции 1-ого порядка, скорость которой является линейной функцией от концентрации:

Экспериментальное определение параметров ячеечной и диффузионной модели

Интегральная функция распределения I(τ).

I(τ) – объемная доля потока, находящегося в реакторе в течении времени меньше τ.

Свойства интегральной функции распределения:

, -объемная доля потока, находящегося в реакторе в течении времени меньше τ₁. - объемная доля потока, находящегося в реакторе в течении времени больше τ₁. I(0)=0

Дифференциальная функция распределения E(τ).

E(τ) – плотность распределения времени проживания частиц в реакторе.

Свойства дифференциальной функции распределения:

Получение информации о функциях распределения времени пребывания:

Для получения информации о функции распределения используют метод трассеров или индикаторов. Суть метода: подача на вход реактора специальных веществ, которые можно легко определить на выходе из реактора; при этом трассер должен изменить гидродинамический режим в реакторе. В качестве трассеров можно использовать красители, фосфорицирующие вещества, кислоты и щелочи, радиоактивные изотопы и др.

Для получения требуемой функции распределения используют различные способы ввода трассера.

Функция распределения времени пребывания идеальных проточных реакторов.

РИС-Н

РИВ

Интегральная функция распределения I(τ) разрывная функция, имеющая 2-а значения: 0 и 1.

При τ < ,I(τ)=0

При τ > ,I(τ)=1

Дифференциальная функция распределения - особая функция, т. к. является

функция Дирака

При τ = ,

Функция приближающая по свойствам к δ-функции:

τ = ,E(τ)=∞

<,E(τ)=∞

>,E(τ)=0

Функция распределения для реальных реакторах

Ячеечная модель

Интегральная функция распределения I(τ) для ячеечной модели имеет следующий вид:

m – число ячеек

Интегральная функция распределения времени пребывания для ячеечной модели при различных значениях N.

Дифференциальная функция распределения E(τ) для ячеечной модели имеет вид:

1) N=1

2) N=2

3) N=6

4) N=∞

Диффузионная модель

Дифференциальная функция распределения времени пребывания для диффузионной модели при различных значений параметра

1) B₀=0,1; 2) B₀=1; 3) B₀=10;

4) B₀=17,8; 5) B₀ →∞

21. Расчет реакторов, работающих в различных тепловых режимах, проектные уравнения реакторов, работающих в политропном адиабатическом и изотермическом режимах, оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах, тепловая устойчивость химических реакторов.

Различают несколько видов тепловых режимов в химических реакторах:

1) Изотермический режим. Характеризуется тем, что температура исходного сырья, входящего в реактор, равна температуре в реакторе и температуре в смеси, выходящего из реактора.

Это возможно, если выделение и поглощение теплоты в результате хиической реакции полностью компенсируется теплообменом с окружающей средой.

Для стационарного изотермического режима при постоянстве физических свойств в системе можно записать

2) Адиабатический режим характеризуется отсутствием теплообмена с окружающей средой. В этом случае вся теплота химической реакции полностью расходуется на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

Для стационарного адиабатического режима:

3) Промежуточный (политропный) режим характеризуется тем, что частично теплота химической реакции расходуется на изменение теплосодержания (нагрев или охлаждение) реакционной смеси, а частично на теплообмен с окружающей средой.

Этот режим наиболее часто встречается в реальных химических реакторах.

Промежуточный тепловой режим описывается полным уравнением теплового баланса:

В качестве уравнения теплового баланса используют дифференциальное уравнение конвективного теплообмена:

I – характеризует накопление тепла в элементарном объеме;

II – характеризует конвективный перенос тепла ив направлении осей x, y, z с линейными скоростями U_x, U_y, U_z;

III – характеризует перенос тепла в результате теплопроводности, где λ – коэффициент теплопроводности;

IV – выделение (или поглощение) тепла в результате химической реакции;

V – подвод или отвод тепла в результате теплообмена (F_уд – удельная поверхность теплообмена, K – коэффициент теплоотдачи, ΔT – движущая сила теплопередачи).

- мольная плотность; - теплоемкость;- коэффициент молекулярной теплопроводности;- тепловой эффект химической реакции;Vr – скорость химической реакции; Fуд – удельная поверхность теплообмена; К – коэффициент теплопередачи; - движущая сила теплопередачи.