Реактор идеального вытеснения

Реактор идеального вытеснения представляет собой длинный канал, через который реакционная смесь движется в поршневом режиме. 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.

Схема реактора идеального вытеснения

Естественно, что при проведении химической реакции, напри­мер реакции, в которой участвуют два или более реагентов, пере­мешивание участников реакции является необходимым условием ее осуществления, иначе невозможным будет контакт между раз­ноименными молекулами, в результате которого и происходит эле­ментарный акт реакции. Если в реакторе идеального смешения перемешивание носит глобальный характер и благодаря ему пара­метры процесса полностью выравниваются по объему аппарата, 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 выравнены.

С ледует 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 Re, у стенок канала существует так на­зываемый пограничный вязкий подслой, в котором градиент ли­нейной скорости очень велик. Сравнивая профили скоростей при различных потоках видно, что максимально приблизить­ся к идеальному вытеснению можно лишь в развитом турбулент­ном режиме.

Профили линейных скоростей потока при ламинарном (а), раз­витом турбулентном (б) и идеальном поршневом (в) режимах течения жидкости

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 L/d > 20).

Среднее время пребывания для реактора идеаль­ного вытеснения в силу первого допущения о плоском профиле линейных скоростей действительное время пребывания всех частиц потока в аппарате будет одинаковым и, следовательно, является удобной характеристикой, пропорциональной объему реактора.

Сравнивая эффективности работы проточных реакторов идеального смешения и идеального вытеснения можно видеть, что при одинаковых условиях проведения одной и той же реакции для достижения равной глуби­ны превращения среднее время пребывания реагентов в проточном реакторе идеального смешения должно быть больше, чем в реакторе идеального вытеснения. Этот факт легко может быть объяснен характером распределения концентрации реагентов по объему указанных ре­акторов. Если в проточном реакторе идеального смешения кон­центрации во всех точках равны конечной концентрации, то в реакторе идеального вытеснения в двух соседних точках на оси реактора концентрации реагентов уже отличаются. Скорость реакции, согласно закону действующих масс, про­порциональна концентрации реагентов. Следовательно, в реакто­ре идеального вытеснения она всегда выше, чем в проточном ре­акторе идеального смешения. А при большей скорости протекания реакции для достижения той же глубины превращения требуется меньшее время пребывания реагентов в реакторе.

Следовательно, при равном объемном расходе для достижения одинаковых результатов реактор идеального вытеснения должен иметь меньший объем, чем проточный реактор идеального смеше­ния.

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. Для использования преимуществ реакторов смешения и в то же время поддержания в реакционной системе более высоких концентраций реагентов можно создать каскад реакторов идеального смешения последова­тельным включением нескольких реакторов.