J;zaвa 4. Общие сведения о химических реакторах

77

24. Две параллельные реакuии характеризуются одинаковым поряд­

ком и различными значениями энергии активации: энергия активаuии uслсвой реакuии равна 84 кДж/моль, энергия актив::щии побочной реак­ uии- 45 кДжjмоль. Как повлияет увеличение температуры на диффе­ ренuиальную селективность? Во сколько раз изменится дифференuиаль­

ная селективность <р' при увеличении темлературы проведения рсаКL!ИИ

ОТ 100 ДО 500 "С?

Глава 4

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ

Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей uелый рад машин и аппаратов, соединен­

ных между собой различными свизями, является химический ре­

актор - аппарат, в котором протекает химический процесс. Вы­ бор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управления его работой - одна из важных задач хими­ ческой технологии.

Как и в случае других аппаратов, используемых в химис1еской промышленности (теплообменных, массообменных и др.), для изу­

чения, расчета и проектирования химических реакторов применя­

ется метод моделирования.

§4.1. Моделирование химических реакторов

ипротекающих в них химических процессов

Моделированиеэто метод изучения различных объектов, при

котором исследования проводят на модели, а результаты количе­

ственно распространяют на оригинал. Модель может лредставлять собой уменьшенную по определенным законам (или иногда уве­

личенную) копию реального объекта. Но моделью может быть

и определенная система представлений о реальном объекте, выра­

жаемая как совокупность математических структур: уравнений,

неравенств, таблиu, графиков. Такую модель обычно называют ма­

тематическим описанием объекта, или его математической моделью.

Мате.натическая модельнекоторое упрощеннос изображе­

ние процесса в реакторе, которое сохраняет наиболее существен­ ные свойства реального объекта и передает их в математической

форме. В зависимости от посташ1снной задuчи математическан

модель учитывает разное число признаков объекта и поэтому мо­

жет быть широкой или узкой.

78	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

Разработка моделей, в частности моделей реакторов и протека­

ющих в них химических процессов,- задача непростая, так как

требования к математической модели часто бывают противоре­

чивыми.

Во-первых, модель должна быть проще реального объекта, на­

глядно и отчетливо передавать все качественные стороны интере­

сующего нас явления. Только в этом случае можно сохранить <<фи­

зический контроль>> над моделью. Если модель будет сложнее

объекта, то моделирование теряет смысл, так как в этом случае для изучения явления легче было бы исследовать сам объект, а немо­ дель. Чем сложнее математическая модель, тем меньше вероят­ ность получения аналитических решений на ее основе, а, следова­ тельно, тем больше веронтность понвления больших ошибок при

расчетах на ее основе.

Однако излишнее упрощение модели рискованно из-за веро­ ятности потерять какие-либо существенные стороны изучаемого явления. Исходя из этих соображений, формулируется второе тре­

бование: модель должна быть достаточно полной и подробной,

точно передавать не только качественные, но и количественные

закономерности явления. Если не выполнить этого требования,

затруднительно будет использовать разработанную модель для рас­

чета химических реакторов в широких диапазонах изменения ус­

ловий их работы.

Противоречивость этих требований очевидна: без обстоятель­ ного изучения свойств системы не всегда ясно, какие факторы наиболее существенны, а какими можно пренебречь. При упро­

щении модели можно не учесть важные элементы изучения явле­

ния и этим сделать модель вепригодной для расчета реального

аппарата, и в то же время полная модель может быть столь слож­

ной в математическом отношении, что достаточно точный расчет на ее основе также станет невозможным. Следовательно, разра­

ботка математической модели реактора всегда связана с поиском

компромисса между указанными требованиями.

Облегчить эту сложную задачу помогают некоторые общие

принuипы, в частности использование системного подхода к хи­

мическим реакторам и химическим процессам. Химический ре­

актор рассматривают как сложную систему, т. е. множество эле­

ментов, находящихся в определенных отношениях друг с другом

и образующих целостность, единство. В рамках системного подхо­ да удобно использовать иерархический 1 принцип. Его суть состоит

1 И с р ар х и я - расположение частей или элементов uслого в порядке от низшего

к высшему или от высшего к низшему.

Глава 4. Общие свеdеиия о химических реакторах

79

в том, что сложная система рассматривается как совокупность под­

систем, связанных между собой. Подсистемы, находяwиеся на бо­

лее высокой ступени иерархии, выполняют все функции подсис­

темы, принадлежашей более низкой ступени иерархии.

Реактор и реакционный узел, будучи сложными объектами,

имеют многоступенчатую структуру, и их математические модели

строятся последовательно на основе предварительного построения

моделей их составных частей и введения соотношений, связываю­

ших переход с одного уровня на другой. Исследование сложного

процесса по частям дает возможность переходить к модели более

высокого уровня, включая в нее как составную часть узкую модель

более низкого уровня. Первоначально проведенный анализ моде­ лей более низкого уровня сушественно упрощает анализ процесса

в целом, и в то же время в рамках иерархического подхода легче

учесть взаимосвязь между различными уровнями системы.

Конечно, разбиение на иерархические уровни может быть мно­ говариантным. Рассмотрим один из возможных вариантов иерар­ хической структуры химического процесса, протекаюшего в реак­ торе (в порядке возрастания ступеней иерархии).

В качестве нижнего уровня иерархии чаще всего рассматрива­

ют молекулярный уровень - межмолекулярное взаимодействие на

расстояниях, примерно равных размерам молекул, определяемое

закономерностями химической кинетики, стехиометрическими

соотношениями, устанавливающими количественную взаимосвязь

между расходованием различных реагентов и образованием про­

дуктов реакции, а также законы химического равновесия.

Следуюшим является уровень малого объеманекоторый эле­

мент реакционного объема макроскопического размера, например сфера или цилиндр с поперечным сечением в несколько квадрат­

ных миллиметров или сантиметров. Таким элементом может быть

одно зерно катализатора, пузырек газа, поднимаюшийся в барбо­

тажном слое, один элемент насадки в насадочной колонне и т. д.

Закономерности предыдущего уровня должны быть теперь допол­

нены закономерностями тепло- и массопереноса.

Уровень рабочей зоны аппаратастатистическая совокуПность

изученных на предыдуwем уровне элементов малого объема, на­ пример слой катализатора, насадочный слой, барботажный слой

и т. д. На этом уровне необходимо учитывать эффекты, связанные

схарактером движения потока. В ряде случаев (например, при рассмотрении гомогенных реакций) на этот уровень можно пе­

рейти с первого, минуя уровень малого объема.

Уровень аппарата - конфигурация, взаимная связь и взаимное

расположение рабочих зон аппарата, например несколько слоев

80	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

катализатора, разделенных теплообменниками, в многослойном каталитическом реакторе или несколько барботажных тарелок в ко­

лонном аппарате для проведения газажидкостных реакций.

Использование иерархического подхода существенно упрощает за­

дачи анализа и синтеза математических моделей химических реакторов.

§ 4.2. Структура математической модели

химическоrо реактора

Математические модели высоких уровней иерархии включают в себя, как правило, несколько уравнений, как конечных, не со­

держащих операторов дифференцирования, так и дифференциаль­

ных, обыкновенных и в частных лроизводных. Полому в общем

случае математическая модель реактораэто достаточно сложная

система уравнений, и количественные расчеты на основании этой модели целесообразно проводить, используя электронные вычис­

лительные машины. Правильно разработанная модель химическо­

го реактора или химико-технологического процесса позволяет раз­

работать и систему управления реактором или процессом в целом

сиспользованием ЭВМ.

Вто же время при описании химического процссса на нижних

уровнях иерархической структуры часто возможно применение

сравнительно простых математических методов. При этом доста­ точно отчетливо может просматриваться физическая сущность изу­

чаемых явлений.

Протекающий в реакторе химический процесс представляет собой единство химической реакции и процессов переноса (тепло-, массопереноса и переноса импульса). Уравнения, входящие в ма­ тематическую модель, должны учесть все эти явления. Однако,

если для описания каждого из них использовать свои уравнения,

математическан модель получится многомерной, что даже на низких

уровнях иерархии затруднит нахождение решений такой системы уравнений, т. с. по сути дела осложнит технологический расчет

реактора.

Поэтому при разработке математической модели стоит задача понизить размерность моделипо возможности объединить сущ­

ность отдельных элементов химического проuесса в одном-двух

уравнениях. Для уверенности в правильности выбора уравнений

целесообразно в качестве исходных посылок использовать какие­ либо фундаментальные законы, например законы сохранения. Поэтому правильно было бы составлять математическую модель

химического процесса и химического реактора, отталкиваясь от

законов сохранения массы и энергии.

Глава 4. Общие сведения о химических реакторах

81

Математическим выражением законов сохранения являются

балансовые уравнения - прежде всего, уравнения материального и энергети•rеского балансов. В уравнении материального баланса

можно учесть все изменения, которые происходят с веществом во

времени и пространстве в результате химической реакции и диф­ фузионных явлений (массоперсноса) или при движении элемен­ тов потока в реакторе (при переносе импульса). Аналогично урав­

нение энергетического (теплового) баланса может учесть все

энергетические изменения в реакторе, имеющие место как в ходе

химической реакции, так и в результате процессов переноса. Таким образом, со•rетание только лишь двух уравнений­

материального и теплового балансов может обеспечить получе­ ние достаточно полной математической модели химического про­

цссса.

Так как химический процесс в реакторе протекает во времени и в пространстве, то для составления балансовых уравнений нуж­

но предварительно выбрать некоторые элементарный объем L'l V

и элементарный промежуток времени L'lт.

Будем считать, что элементарным является такой объем, выде­

ленный внутри реактора, в пределах которого можно прснебречь

неравномерностью распределенин концентраций и температуры.

Элементарный объем неподвижен относительно аппарата и не передвигается вместе с реакционным потоком. В общем случае элементарный объем L'l V бесконечно мал во всех измерениях, но

в некоторых частных случанх (например, для аrшарата идеального

смешения) его можно считать равным всему объему реактора. Элементарным промежутком времени L'lт является такой, в те­

чение которого можно пренебре•rь изменениями концентрации

и температуры внутри элементарного объема L'l V. Элементарный

промежуток времени бесконечно мал для нестационарных режи­

мов работы реактора и может быть выбран любым для стационар­ ных режимов, например равным 1 ч или 1 мин.

Рассмотрим обшую структуру балансовых уравнений. Уравнения материального бшrанса (одно ИJIИ несколько) со­

ставлнют по тому или иному компонентуучастнику реакции

(реагенту или продукту), отражан в уравнении вес изменении, rrро­ исходящие с этим компонентом. Если реакция сложная, матема­

тическое описание, как правило, вклю•rает в себн несколько урав­

нений материального бшrанса по нескольким веществам, каждое

из которых участ13ует по меньшей мере в одной из l!ростых реак­ ций, состаnшrющих сложную.

Уравнение материального баланса 110 веществу J учитывает все

виды поступления и расходованин этого компонента в пределах

82	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

элементарного объема д V в течение промежутка времени д-r:

пJ.нхпJ.ных- nl.xp = nJ. нак'

где пJ.нхколичество вещества J, внесеннос в элементарный объем д V за время д-r с потоком участников реакции; пJ.ныхколичество

вещества J, вынесенное из объема дVза время д-r с потоком участ­

ников реакции; nJ.xp- количество вещества J, израсходованное на

химическую реакцию (или образовавwесся в результате ее проте­

кания) в объеме д V за время дт; пJ.накнакопление вещества J

в объеме д V за время д-r (изменение количества вещества J, одно­

временно содержащегося в объеме д V).

Аналогично составляют и уравнение теплового баланса. Длн

элементарного промежутка времени дт рассматривают все тепло­

вые потоки, которые входят, выходят или образуются внутри эле­

ментарного объема д V. Их алгсбраи•1еская сумма равна накопле­

нию (изменению коли•tества) теплоты в объеме д V за промежуток

времени д-r:

где Qнхтеплосодержание веществ, входящих в объем д V за время

д-r: Q""''- теплосодержание веществ, выходящих из объема д V за

время дт; Q,P- теплота, выделивwаяся или поглотивwаяся в ре­

зультате протекании химической реакции в объеме дVза время дт;

QJo - теплота, израсходованная на теплообмен объема д V с окру­ жающей средой за время д-r; Qнакнакопление теплоты за время дт в объеме д V.

При моделировании химических реакторов с использованием системного (иерархического) подхода можно идти двумя путями. Первый путь - от простого к сложному. Сначала целесообразно рассмотреть заведомо более простые (идеализированные) случаи

протекания химических процессов в химических реакторах, а за­

тем постепенно, снимая упрощающие ограничения, перейти к бо­

лее общей модели.

Второй путь - обратный, от сложного - к более простому. Сначала, не вводя никаких упрощающих допущений, разработать

математическую модель, пусть даже и сложную с точки зрения ее

решения. Затем для определенных групп химических реакторов

и режимов их работы ввести упрощающие доnущения, справедли­

вые только для этой группы реакторов, и получиТ!, более простые уравнения или системы уравнений, которые могут быть использо­

ваны в пределах действия принятых допущений.

Второй путь, по всей видимости, явлнется более общим. Ис­

пользуя его, выведем уравнение материального баланса, пригод­ ное для описания любого реактора и любого режима его работы.

Глава 4. Общие сведения о химических реакторах

83

§ 4.3. Уравнение материального баланса для элементарного объема

проточного химического реактора

Прежде чем рассмотреть отдельные типы химических реакто­

ров в соответствии с лривсденной классификацией, составим урав­ нение материального баланса по произвольному участнику реак­ циивеществу J- для элементарного объема произвольнога

проточного химического реактора и элементарного промежутка

времени.

Рассмотрим поток жидкости 1, протекающей через реактор.

О ходе химического процесса u реакторе будем судить по измене­

нию молярной конвентрации вещества J в жидкости cJ. Так как в общем случае в реакторе имеет место то или иное расnределение

концентрации cJ по объему, а в каждой nроизвольно выбранной точке еще и расnределение концентрации во uрсме11и , то будем

считать, •по cJ ивляетси функцией •1етырех псременных: трех про­ странствснных координат х, у, z и времени т: cJ = cJ (х, у, z ,т).

Всоответстuии с рассмотренными в§ 4.2 требованиями к раз­

меру элементарного объема и зна•1ению элементарнот промежут­ ка времени выберем в качестве элементарного промежутка времени

бесконечно малый интервал dт (dт -7 0), а в качестве элементарно­

го Гlромежутка пространствапараллелепипед с бесконечно ма­

лыми сторонами dx, dy и dz и объемом dV= dxdydz (рис. 4.1).

Вуравнении материально1·о баланса по веществу J должны быть

отражены, как указано выше, все изменении, которые произойдут

за время dт с веществом J при прохождении потоком элементар­ ного объема. Эти изменения могут быть связаны с тремя причина­

ми: конвективным переносом, диффузионным переносом и хими­ ческой реакцией .

х

Рис. 4.1. Элементарный объем химическо­

го реактора:

/, / '-	KOIIBCKТIШIIЫЙ И 2, 2' - диффу:JИОIIIIЫЙ
ПОТОК И	COOTBCTCT!ICHHO на ВХОде А ЭЛСМеiНар­

НЫЙ объем и на выходе И:J него

1 Гоноря о жидкости , как обычно 11ритпо n пшрол.и11амнкс. буде~! llollнмaл, как

ЖИ;lКОСТИ , ТаК И П\ЗЫ.

84	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

Конвективный перенос, или перенос И!\rпульса, вызван движе­

нием потока со скоростью u в результате какого-либо внешнего воздеИствин (например, из-за перенада давления, созданного насо­

сом или компрессором). При макроскопическом движении жид­

кости каждый данный ее участок передвигается как целое с неиз­

менным составом, и в результате происходит чисто механическое

перемешивание: хотя состав каждого передвигаюшегося участка

жидкости может оставаться неизменным (если нет химической ре­ акции), в каждой неподвижной точке пространства (неподвижном

элементарном объеме) концентрации жидкости будет со временем

меняться. Охарактеризовать конвективный перенос можно изме­

нением импульса 1 единицы объема жидкости с1u.

Диффузионный перенос вызван наличием неравномерного рас­

пределения вещества J в пространстве. Вследствие выравнивания

концентрации молекулярным переносом веществ реакционной смеси из одного участка жидкости в другой также происходит из­

менение состава внутри элементарного объема. Охарактеризовать

диффузионный перенос можно в соответствии с законами Фика изменением диффузионного потока вешества J, равного D grad с1 (D- коэффициент диффузии).

Протекание химической реакции в элементарном объеме­ неотъемлемая часть любого химического процесса. Расход или образование вещества J в ходе химической реакции пропорциана­

лен скорости реакции w,J·

Алгебраическая сумма всех этих трех изменений должна быть равна накоплению (положительному или отрицательному) вещест­

ва J в элементарном объеме, т. е. изменению количества вещества J, находнщегося внутри элементарного объема, за тот промежуток времени, для которого составляется материальный баланс.

Запишем теперь отдельные составляющие уравнения матери­

ального баланса.

Количество вещества, попадающее за время dт в элементарный

объем с конвективным потоком, можно рассматривать как сумму составляющих потока, которые войдут через отдельные грани па­

раллелепипеда. В направлении оси z через грань dx dy за время dт войлет (/J,dxdydt моль вещества J.

Аналогично через грань dydz войдет c1 uxdydzdт моль вещест­

ва J, а через грань dxdz c,u,.dxdzdт моль J.

1 Импульс t:дi!Ниuы объе~1а р<шен нроизвсдению плотности 11а скоро<:ть pu, одна­ ко молнрная конuентрацин с, (кмоль/м') проnорuиоюшьна плотности р (кrjмJ)

и но произведению с, u можно судить об импульсе.

Глава 4. Общие сведеuия о химических реакторах

85

Суммарно с конвективным потоком в элементарный объем

будет внесено

(4.\)

При прохождении элементарного объема произойдет измене­

ние импульса единины объема (так как в обшем случае и с1 и ско­

рость u имеют неравномерное распределение в пространстве).

В результате количество вещества J, которое будет вынесено за тот

же промежуток времени dт через противоположные грани парал­

лелепипеда, составит:

в направлении оси z

в направлении оси у

	uyeJ + uY -де1 dy + е1			__ди У dy Jdxdzdт;
	[	ду		ду
в направлении оси х
	UxeJ +Их деJ dy + е		1	д u х dx)dydzd-r;.
	(	дх		дх
Суммарно по всем осям:
	е1 (uzdxdy + Uxdydz + иydxdz) d1: +
		+ [u grad е1 + с1 div u] dxdydzd-r;,					(4.2)
де	де	де	е1	, а	ди	ди	ди
где и - 1	+ их - 1	+ иу - 1 = u grad			_ z + _х_ +_У = div u.
z~	~	~			~	~	~
После вычитания выражения (4.2)					из (4.1) получим (с учетом

того, что для несжимаемой жидкости div u =О) изменение количе­ ства всшества в элементарном объеме в результате конвективного

персноса за время d-r;:

LШJ,конн = -U grad eJ dVd1:.

(4.3)

Аналогично получим член уравнения материального баланса,

описывающий изменение количества вещества J в результате диф­ фузионного переноса. Диффузионный поток на входе в паралле­

лепипед через грань dx dy (в направлении оси z) в соответствии

с первым законом Фика равен

дсJ

-D дdxdy.

z

86 Раздел первыu. Хu.мuческuе процессы и реа~Сmоры

При прохождении потока через элементарный объем произойдет

изменение градиента концентрании де1(дz на величину (d2e1jdz2 ) d z,

следовательно, диффузионный поток на выходе из параллслепи­

пела через противо положную грань составит

		-D (деJ		+ d e1		d ~dxd
				2
			дz	d z 2		z)	у.
Изменение количества вещества J в результате диффузионного
переноса через все грани nараллслепипеда за время dт
~пJ.-1иФ	=	2с1	д2е1	д2е1	J		_	DV	2	eJd	Vdт. (4.4)
		D[--д	+ -- ? + --		dx dy dz dт -
		дz2	дх-	ду2

Расход вещества на химическую реакцию (или его образование в ходе химической реакции) внутри элементарного объема d V за

элементарный промежуток времени d-r пропорционален скорости

реа кции w,J (она определяется концентрацией вещества J eJ, уста­ новившейся внутри элементарного объема), объему d V и времени d-r:

~nJ.>p = w,J d Vdт.

(4 .5)

Следует отметить, что в соответствии с формальным nравилом

о знаках при составлении кинетических уравнений (см. § 3.2) ~nJ.xp

положительно, если вещество J - реагент, и отрицател ьно, если J - продукт. Поэтому для сохранения физического смысла в урав­ нение материального баланса член ~nJ.xp должен всегда входить со

зна ком <<м инус>>.

Накопление вещества J за время d-r внутри элементарного объ­

ема может произойти в результате приращения концентрации eJ

при изменении времени на величину dт. Это изменение концент­

рации равно (де1/дт)dт. Соответственно накопление вещества в эле­

ментарном объеме d V

~nJ	-	дсJ	(4.6)
	''"" -	-д d-r d V.
.		't

Таким образом , уравнение материального баланса по вещест­

ву J в соответствии с выражениями (4.3)-(4.6) можно записать так:

де

- u grad cJ d Vdт + DV 2e1d V dт - w, J d V dт = д~ d-r d V

или, сократив все его члены на d Vdт,

(4.7)

Глава 4. Общие сведепия о химических реакторах

87

Уравнение (4.7) достаточно полно описывает химический про­

цесс, протекающий в любом химическом реакторе (при его выrю­ дс не было принято никаких допущений об его применимости

только к какому-то одному определенному типу химических реак­

торов). В нем отражен перенос импульса (первый член уравне­

ния), диффузионный перснос (второй член) и протеканис хими­

•rеской реакции (третий член).

Уравнение (4.7) вместе с уравнением теплового баланса, учи­

тывающим явления теплопереноса в элементарном объеме реак­

тора, составят полную математическую модель реактора. Таким

образом будет решен вопрос и о небольшом числе уравнений, со­ ставляюших математическую модель, и об ее полноте.

Однако уравнение (4. 7) слишком сложно для решения (диф­

ференциальное уравнение второго порядка в частных производ­ ных). Следовательно, реальный путь создания математических

моделей, пригодных для решения практических инженерных за­

дач по расчету и просктированию химических реакторов, заклю­

чается в упрощении математической модели, которое можно про­

вести для различных частных случаев.

В соответствии с такой концепцией рассмотрим математические

модели различных типов реакторовсначала реакторов шrя гомо­

генных процессов, работающих в изотермическом режиме, затем

в нсизотермическом, затем реакторы для гетерогенных процессов.

§4.4. Классификация химических реакторов

ирежимов их работы

Химические реакторы для проведения различных процессов

отличаются друг от друга по конструктивным особенностям, раз­

меру, внешнему виду. Однако несмотря на существующие разли­ чия, можно выделить общие признаки классификации реакторов,

облегчающие систематизацию сведений о них, составление мате­

матического описания и выбор метода расчета.

Наиболее употребимы следующие признаки классификации

химических реакторов и режимов их работы: 1) режим движения

реакционной среды (гидродинамическая обстановка в реакторе);

2) условия теплообмена в реакторе; 3) способ организации тепло­

обмена; 4) фазовый состав реакционной смеси; 5) способ органи­

зации процесса; 6) характер изменения параметров процесса во

времени; 7) конструктивные характеристики.

Классификация реакторов по гидродинамической обстановке.

В зависимости от гидродинамической обстановки можно разде­

лить вес реакторы на реакторы смешения и вытеснения.

88	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

Реакторы смеzыенияэто емкостные аппараты с персмешива­

нием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Реакторь1 вытеснениятрубчатые аппараты, имеющие вид удли­

неююго канала. В трубчатых реакторах персмешивание имеет ло­

кальный характер и вызывается неравномерностью распределения

скорости потока и ее флуктуациями, а также завихрениями.

В теории химических реакторов обычно сначала рассматрива­

ют два идеальных аппарата: реактор идеального, или полного, сме­

шения и реактор идеального, или полного, вытеснения.

Для идеального смешенин характерно абсолютно полное вы­

равнивание всех характеризующих реакцию параметров по объему

реактора.

Идеальное вытеснение предполагает, что любое количество

реагентов и продуктов через реактор перемешается как твердый поршень, и по длине реактора (в пространстве) в соответствии

с особенностями реакции и сопровождающих ее физических явле­

ний устанавливается определенное распределение концентраций

участников реакции, температуры и других параметров.

Реальные реакторы в большей или меньшей степени прибли­

жаются к модели идеального вытеснения или идеального смеше­

ния. Внесение определенных поправок нанеидеальность позволя­

ет использовать модели идеальных аппаратов в качестве исходных

для описания реальных реакторов.

Классификация по условиям теплообмена. Протекающие в реак­

торах химические реакции сопровождаютсн тепловыми эффектами

(это тепловые эффекты химических реакций и сопровождающих их физических явлений, таких, например, как процсссы растворе­ ния, кристаллизации, испарения и т. п.). Вследствие выделения

или ноглощения теплоты изменяется температура и возникаст раз­

ность температур между реактором и окружаюшей средой, а в оп­

ределенных случаях температурный градиент внутри реактора. Раз­

ность температур д Т является движущей силой теплообмена. При отсутствии теплообмена с окружаюшей средой химиче­

ский реактор является адиабатическu.м. В нем вся теплота, вьще­

ляющаясн или поглощающаяся в результате химических процес­

сов, расходуется на <<внутренний>> теплообмен - на нагрев или охлаждение реакнионной смеси.

Реактор называетсн изотермическим, сели вследствие теплообме­ на с окружаюшей средой в нем обеспечивается постоянство темпе­

ратуры. В этом случае в любой точке реактора в результате теплооб­

мена полностыо компенсируется выделение или поглощенис теплоты.

В реакторах с промежуточны.м тепловым ре.жимом тепловой эф­ фект химической реакции частично компенсирустсн теплообменом

Глава 4. Обzцuе сведепия о хилщческих реакторах

89

с окружающей средой, а частично вызывает изменение температу­

ры реакционной смеси.

Классификация по способу организации теплообмена. В зависи­ мости от способа организации теплообмена реакторы подразделя­

ют на реакторы с внешним, внутренним и комбинированным теп­ лообменом.

Особо следует выделить автотермические реакторы, в которых необходимая температура процесса поддерживается без использо­

вания внешних источников энергии. Обычно стремятся к тому,

чтобы химические реакторы, особенно применяемые в крупно­ тоннажных производствах, были автотермическими.

Классификация по фазовому составу реакционной смеси. Реакто­

ры для проведения гомогенных процессов подразделяют на аппа­

раты для газофазных и жидкофазных реакций. Аппараты для про­

ведения гетерогенных процессов, в свою очередь, подразделяют

на газажидкостные реакторы, реакторы для процессов в системах

газ - твердое вещество, жидкость - твердое вещество и др. Особо

следует выделить реакторы для проведения гетерагенно-каталити­

ческих процессов.

Классификация по способу организации процесса. По способу

организации процесса (способу подвода реагентов и отвода про­ дуктов) реакторы подразделяют на периодические, непрерывно­ действующие и полунепрерывные (полупериодичсские).

В реакторе периодического действия вес отдельные стадии про­ текают последовательно, в разное время. Вес реагенты вводят в ап­

парат до начала реакции, а смесь продуктов отводят по окончании

процесса. Продолжительность реакции можно измерить непосред­ ственно, так как время реакции и время пребывания реагентов

в реакционном объеме одинаковы. Параметры технологического про­

цесса в периодически действующем реакторе изменяются во времени.

Между отдельными реакционными циклами в периодическом

реакторе необходимо выполнить вспомогательные операцииза­ грузку реагентов и выгрузку r1родуктов. Поскольку во время этих вспомогательных операций не может быть получено дополнитель­

ное количество продукта, их наличие обусловливает снижение

производительности периодического реактора.

В реакторе непрерывного действия (прото•Iном) вес отдельные

стадии процесса химического превращения вещества (подача реа­

гирующих веществ, химическая реакция, вывод готового продук­

та) осуществляются параллсльно, одновременно и, следовательно,

непроизводитсльные затраты времени на операции загрузки и вы­

грузки отсутствуют. Поэтому на современных крупнотоннажных химических предприятиях, где требуется высокая производительность

90	Раздел первый. Химические процессы и реакторы

реакционного оборудования , большинство химических реакций

осуществляют в непрерывнодействующих реакторах.

Время пребывания отдельных частиц потока в непрерывнодейст­ вующем реакторе, в общем случае,- случайная величина. Так как

от времени, в течение которого происходит реакция, зависит глу­

бина химического превращенин, то она будет разной для частиц

с различным временем пребывания в реакторе. Средняя глубина

преврашения определяется видом функции распределения време­ ни пребывания отдельных частиц, зависящим, в свою очередь, от

характера перемешивания, структуры потоков в аппарате.

В реакторе полунепрерывного (полуперuодuческого) действия один

из реагентов поступает в него непрерывно, а другой - периодиче­

ски. Возможны варианты, когда реагенты поступают в реактор перио­

дически, а продукты реакции выводятся непрерывно, или наоборот.

Классификация по характеру изменения параметров nроцесса во времени. В зависимости от характера изменения лараметров про­ цесса во времени одни и те же реакторы могут работать в стацио­

нарном и нестационарном режимах.

Рассмотрим некоторую произвольную точку, находящуюся

внутри химического реактора. Режим работы реактора называют cmaцuoнapньLtt, если протекание химической реакции в произвольно выбранной ТО'!Ке характеризуется одинаковыми значениями кон­

центраций реагентов или продуктов, температуры, скорости и дру­

гих nараметров процесса в любой момент времени. В стационар­

ном режиме параметры потока на выходе из реактора не зависят

от времени. Обычно это постоянство выходных параметров обес­

печивается постоянством во времени параметров на входе в реактор.

Если в произвольно выбранной точке происходят измененш1

параметров химического процесса во времени по тому или иному

закону, режим работы реактора называют нестацuонарньzм. Неста­

ционарный режим является более общим. Стационарный режим возможен для непрерывнодействующих проточных реакторов. Но

даже эти реакторы работают в нестационарном режиме в моменты их пуска и остановки. Нестационарными являются все nериоди­

ческие nроцессы.

Нестационарные реакторы характеризуются nоложительным

или отрицательным накоплением вещества или энергии в реакто­

ре. Например, для периодического реактора характерно положи­

тельнос накопление продуктов реакции и отрицательное накопле­

ние (убыль) исходных реагентов. При протекании в таком реакторе экзотермической реаквии в отсутствие теплообмена с окружающей

средой будет иметь место накоnление теплоты, которое приведет

к росту температуры.