2.6. Моделирование реакторов периодического действия

Реакторы периодического или полупериодического действия представляют собой, как правило, емкостные аппараты, снабженные мешалками и элементами, обеспечивающими необходимые условия теплообмена (рубашки, змеевики и др.) Для реакционных масс на основе ньютоновских жидкостей с низкой и средней вязкостью (=0.001-10 Пас) возможно перемешивание по всему объему при выполнении условийdT/dV=0 иdC/dV=0. В этом случае возможно использование кинетического описания процесса для определения времени, необходимого для осуществления химической реакции (_р).

Общая продолжительность одной операции (_оп) в аппарате периодического или полупериодического действия складывается из времени_ри времени непроизводительных затрат до и после химической реакции (_н):

_оп=_р+_р

Для химической реакции можно записать:

где n_A– число молей исходного вещества А

V_p– реакционный объем

r_A- скорость химической реакции

В случае жидкофазных периодических процессов объем реакционной массы обычно бывает постоянной величиной. В этом случае можно записать:

(2.83)

При определении времени _рследует учитывать также температурный режим процесса. Если процесс является изотермическим, т.е. химическая реакция протекает при постоянной температуре, продолжительность реакции рассчитывается непосредственно из уравнения2.83 после подстановки конкретного выражения для скорости реакции. В случае неизотермического процесса необходимо дополнительно решать уравнение теплового баланса.

В случае реакторов полупериодического действия осуществляется постепенная подача одного из реагентов. Именно этот процесс определяет общую скорость процесса и тепловую нагрузку реактора.

Материальный баланс реактора полупериодического действия поj-му компоненту записывается следующим образом:

где dn_j– изменение количества молейj-го компонента;

F_j0– мольный потокj-го компонента, водимого в реактор или выводимого из него;

С_j0– концентрацияj-го компонента в потоке;

w₀ – объемный расход потока

Vr_jd- количествоj-го компонента, которое расходуется или образуется в ходе реакции.

Для полупериодических процессов рабочий объем (объем реакционной массы в аппарате) является переменной величиной.

Вопросы по теме 2

1. Охарактеризуйте типы возмущающих воздействий, используемых при анализе гидродинамики реакторов непрерывного действия.

2. Дайте определение понятиям дифференциальная функция распределенияиинтегральная функция распределения. Каким образом эти функции связаны между собой?

3. Охарактеризуйте реактор идеального смешения

4. Приведите уравнение материального баланса для реактора идеального смешения.

5. Охарактеризуйте реактор идеального вытеснения.

6. Приведите уравнение материального баланса для реактора идеального вытеснения.

7. Что такое среднее время пребывания? Каким образом оно определяется для реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения?

8. Приведите аналитическую зависимость и графический вид дифференциальных функций распределения для реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения.

9. В каких реальных реакторах и при каких условиях реализуются модели реакторов идеального смешения и идеального вытеснения.

10. Каким образом определяется уравнение теплового баланса для идеальных реакторов? Приведите формулу теплового баланса для реактора идеального смешения и реактора идеального вытеснения. Каким образом изменяется температура в указанных реакторах?

11. Охарактеризуйте ячеечную модель.

12. Приведите математическую зависимость для передаточной функции ячеечной модели.

13. Каким образом дифференциальная функция распределения для ячеечной модели зависит от числа ячеек? Приведите аналитическую и графическую зависимость дифференциальной функции распределения ячеечной модели от числа ячеек.

14. Каким образом гидродинамика реактора влияет на степень превращения исходных веществ и выход целевого продукта?

15. Укажите причины отклонения гидродинамики реальных реакторов от идеальных моделей.

16. Какие отклонения от модели идеального смешения могут наблюдаться в реальных аппаратах и как они описываются?

17. Какие отклонения от модели идеального вытеснения могут наблюдаться в реальных аппаратах и как они описываются?

18. Что характеризует критерий Пекле?

19. Дайте определение математического ожидания случайной величины.

20. Каким образом среднее время пребывания связано с математическим ожиданием случайной величины. Приведите соответствующую расчетную формулу.

21. Дайте определение начальному моменту определения.

22. Что такое центр распределения? Какая экспериментально определяемая величина может быть рассчитана через первый начальный момент распределения?

23. Дайте определение центральному моменту распределения и приведите расчетную формулу для его определения.

24. Каким образом может быть рассчитано среднее время пребывания для реального реактора?

25. В чем состоят основные отличия периодического реактора от полупериодического реактора?