Классификация химических реакторов

С точки зрения макрокинетики, базовыми классификациями химических реакторов являются классификации по непрерывности работы, по тепловому режиму и по гидродинамике.

Классификация по непрерывности работы:

  • 1) периодического действия - реагенты загружаются одновременно, после достижения заданной конверсии продукты реакции выгружаются;
  • 2) непрерывного действия - имеют непрерывное питание реагентами и непрерывное удаление продуктов;
  • 3) полунепрерывного (полупериодического) действия - один из реагентов поступает непрерывно, а другой - периодически; или реагенты подают периодически, а продукты удаляют непрерывно и т.п.

Классификация по тепловому режиму:

  • 1) изотермические реакторы - имеют постоянную температуру на входе, на выходе и во всем объеме реактора;
  • 2) адиабатические реакторы - за счет хорошей изоляции не имеют теплообмена с окружающей средой; все тепло, выделяемое (поглощаемое) в реакции, идет на нагревание (охлаждение) реакционной массы;
  • 3) политропные реакторы - теплообмен осуществляется с изменением температуры реакционной массы во времени.

Классификация по гидродинамике:

  • 1) идеального смешения - параметры технологического режима постоянны в объеме реактора в любой момент времени;
  • 2) идеального вытеснения - время пребывания каждой частицы реакционной массы в реакторе одно и то же;
  • 3) реальные реакторы - нет идеального смешения и вытеснения.

Материальные и тепловые балансы химических реакторов

В общем случае, когда концентрация реагента непостоянна в различных точках реактора или изменяется во времени, материальный баланс составляют в дифференциальной форме:

дС, тг дС, ,, дС, д2С, 82С, д2С^

дт дх у ду dz дх2 ду2 dz2

где С, - концентрация i -го реагента в реакционной массе; т - время; х,у, z - координаты; Ux,Uy,U2 - составляющие скорости потока; D - коэффициент молекулярной диффузии; г - скорость химической реакции.

Левая часть уравнения (2.52) характеризует общее изменение концентрации z-ro реагента во времени. Слагаемые в правой части уравнения (2.52) отражают изменение концентрации i -го реагента:

1) из-за его переноса реакционной массой по координатам - это

,тт тт дС, тт дС

слагаемое (Ur —- + Uv —- + U7L);

  • * дх y ду Zdz
  • 2) в результате переноса его диффузией - это слагаемое

d2Ct д2С' д2а

7 + 9 + 7 ) >

дх2 ду2 dz2

3) за счет химической реакции - это слагаемое г.

баланса в

В общем случае уравнение теплового дифференциальной форме выглядит так: дТ „ , дТ дТ дТ рС п — = -рС пг — + uv — + и. —) + н р дт и р х дх у ду z dz д2Т д2Т д2Т

(2.53)

+Я(^Ц- + ^4 + ^4) ± FK ДТ ± г ДЯ, дх2 ду2 dz2

где р, Ср - плотность и теплоемкость реакционной температура; их, и , uz - составляющие скорости теплового потока; Я

массы; Т

- теплопроводность; F - удельная (на единицу объема реакционной массы) поверхность теплообмена; К - коэффициент теплопередачи; ДТ - движущая сила теплообмена; ДЯ - энтальпия реакции.

Левая часть уравнения (2.53) характеризует общую скорость изменения тепла в рассматриваемом объеме.

Слагаемые в правой части уравнения (2.53) определяют скорость переноса тепла:

z дТ дТ дТ

1) по координатам - это слагаемое рСЛих -—- + и — + uz —);

дх ду dz

2) в результате теплопроводности реакционной массы - это

„д2Т д2Т д2Т, слагаемое л(—— + ——+—-).

дх2 ду2 dz2

Третье {FKT) и четвертое слагаемые характеризуют

теплообмен через стенку реактора и изменение тепла при реакции.

Рассмотрим материальный и тепловой балансы для реактора идеального смешения периодического действия (РИС-П).

В случае РИС-П концентрация Сг меняется только во времени. Поэтому

(t/x^ + t/^ + L/z^) = Z)(^ + ^ + ^) = O. (2.54) дх у ду dz дх2 ду dz2

Тогда из уравнения (2.52) получаем следующее уравнение материального баланса для РИС-П:

дС^ дт

(2-55)

Выведем уравнение теплового баланса РИС-П, полагая реактор политропным. Из определения идеального смешения вытекает:

z дТ дТ д! ^д2Т д2Т д2Т л zn

рсР^х^+иУ—^ uz “т-) - ^(“г+тт+тт)- 0 ? (2-56) дх 7 ду dz дх ду dz2

Тогда в случае экзотермических процессов (это большинство процессов получения полимеров) из уравнения (2.53) получаем следующее уравнение теплового баланса РИС-П:

рС. — = -FKT-rH. (2.57)

И дт

Рассмотрим материальный и тепловой балансы для реактора идеального вытеснения (РИВ). Согласно определению идеального вытеснения, любая частица потока движется только в одном направлении по длине реактора (координата х), а продольное и поперечное перемешивание отсутствуют. Поэтому

rr ас тт ас а2с а2с а2с. л

(2-58)

Uy-± = UZ—J- = D(—±+—у-+—гЧ=0. ду dz дх2 ду dz2

Тогда из уравнения (2.52) получаем следующее уравнение

материального баланса для РИВ:

ас,

(2.59)

дт дх

Для вывода уравнения теплового баланса РИВ будем полагать реактор политропным. По определению идеального вытеснения:

дТ дТ ~,д2Т д2Т д2Тх Л

(2.60)

wr= и7 — = Л(—- + —- + —-)=0 . у ду dz дх2 ду2 dz2

С учетом этого из уравнения (2.53) следует, что при стационарном

тепловом режиме (— = 0) для экзотермических процессов уравнение дт

теплового баланса РИВ будет выглядеть так:

(2.61)

рС и — = FK&T - гЬН . р х дх

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >