Изменение параметров процесса в рис-н:

а – концентрация реагента С_А; б – степень превращения Х_А;

в – скорость реакции r_А

Точка, соответствующая входу реагентов в реактор, нанесена на ось абсцисс правее начала координат, что дает более наглядное представление об изменении концентрации исходного вещества при входе реакционной смеси в реактор.

Благодаря тому, что в РИС-Н реакционная смесь мгновенно перемешивается, во всем объеме реактора одинакова концентрация исходного реагента, и она тем ниже, чем больше время пребывания реагентов в реакторе. По этой же причине по всему объему реактора одинакова и степень превращения и скорость реакции. Таким образом, для РИС-Н характерным является отсутствие градиента параметров как во времени, так и в объеме реактора.

КАСКАД РЕАКТОРОВ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ

Изменение концентрации реагента а в каскаде реакторов идеального смешения

В каждом реакторе концентрация исходного реагента в объеме постоянна и равна концентрации его на выходе из реактора.

Изменение концентрации исходного вещества в нем происходит так же, как и в РИС-Н, т.е. скачком, при входе реакционной смеси в реактор. Однако рабочая концентрация С_А в каскаде поддерживается выше, чем в единичном реакторе смешения, и при увеличении числа реакторов приближается к значению концентрации в РИВ.

Расчет каскада реакторов заключается в определении числа ступеней (числа реакторов) т, необходимых для достижения заданной степени превращения Х_А.

В полунепрерывных реакторах одна из вспомогательных операций – загрузка реагентов или выгрузка продуктов реакции – осуществляется периодически, а вторая – непрерывно.

Примерами такого реактора может служить:

• доменная печь, в которую непрерывно загружают твердую шихту, а готовый продукт (чугун) выпускают периодически;

• в печи разложения СаСО₃ с получением СаО и СО₂, наоборот, шихта (уголь и СаСО₃) загружаются периодически, а продукты реакции (СаО и СО₂) выводятся непрерывно;

• в газогенераторах уголь (шихта) загружается периодически, а продукт реакции – генераторный газ – выводится непрерывно.

СРАВНЕНИЕ РЕАКТОРОВ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ

Важнейшими показателями работы реактора, определяющими экономичность химического процесса, являются:

1) размер реактора, от которого зависит его производительность;

2) избирательность протекающего в нем процесса, т.е. селективность;

3) выход продукта.

При протекании простых необратимых реакций типа A → R превращение идет в одном направлении, и чем выше степень превращения, тем больше выход продукта. Поэтому при выборе типа реактора для таких реакций имеет значение только первый фактор из числа приведенных выше, т.е. размер реактора, необходимый для достижения заданной степени превращения.

ДИНАМИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЕАКТОРА

В реальных реакторах заданная степень превращения достигается при большем времени пребывания реагентов в реакторе, чем это следует из уравнений, полученных для идеальных реакторов.

Степень отклонения реального реактора от идеального определяют экспериментально.

Для этого:

1) В жидкость или газ, поступающие в реактор, вводят индикатор, а затем через некоторые промежутки времени измеряют концентрацию этого индикатора в жидкости на выходе из реактора. 2) По полученным данным строят так называемые кривые отклика. 3) В результате анализа этих кривых определяют такие важные характеристики, как

• минимальное, максимальное и среднее время пребывания элемента объема жидкости в реакторе,

• особенности переходного периода в реакторе (режима перехода из одного установившегося состояния в другое) и др.

Наиболее широкое распространение получили два метода ввода индикатора (два вида возмущения): ступенчатый и импульсный.

Ступенчатый метод ввода индикатора чаще применяют на практике. Объясним его на примере реактора вытеснения. Сверху реактора в момент времени τ0 по всему поперечному сечению непрерывно вводят небольшой объем индикатора (например, какого-либо красителя). Затем определяют изменение во времени концентрации индикатора в жидкости на выходе из реактора. По полученным данным строят кривую изменения концентрации индикатора на выходе во времени Син = f (τ) – кривую отклика (при ступенчатом вводе индикатора ее называют F – выходной кривой).