Реактор идеального вытеснения и исследование кинетики в непрерывных условиях

Реактор идеального вытеснения (рис. 1) является идеализированной моделью непрерывного действующих аппаратов вытеснения, в которых реакционная масса движется вдоль оси. Условие его идеальности состоит в том, что каждый элемент потока в данном поперечном сечении аппарата движется вдоль оси с одинаковой линейной скоростью (поршневой режим). Это предполагает отсутствие диффузионных явлений, из которых наиболее значительно продольное (или обратное) перемешивание. При стационарном режиме работы, т. е. при постоянстве скорости подачи и состава исходной смеси, а также условий теплообмена, каждый элемент потока пребывает в таком реакторе в течение одинакового времени, а концентрации и температура в каждом поперечном сечении остаются постоянными. При этом в отличие от периодического реактора концентрации веществ изменяются не во времени, а по длине аппарата.

dV

C_i,o, W_o C_i, W, X_A

Рис. 1.

Реакторы идеального вытеснения применяют для кинетического исследования реакций в потоке, особенно для газофазных процессов, в том числе гетерогенно-каталитических. К условиям идеального вытеснения близки аппараты большой длины и малого диаметра при турбулентном движении газа. Поэтому изготавливают в виде трубки (которую можно заполнять катализатором) или змеевика, имеющих карманы для термопар. Газообразные вещества подают в аппарат из баллонов или газометров, точно регулируя и изменяя скорость их потока. Жидкие вещества вводят при помощи микронасосов или градуированных дозаторов разного типа. Все компоненты смешивают и предварительно испаряют или подогревают до температуры реакции (прежде чем подать в реактор). Поскольку теплопередача от газа к стенке малоинтенсивна, особенно при наличии гетерогенного катализатора, большое значения имеет организация теплообмена, гарантирующая постоянство температуры по длине и диаметру реактора. Этого достигают, помещая реактор в термостат или оборудуют реактор рубашкой, в которую подают теплоноситель из термостата, а также при помощи электрообогрева. Для реакций с большим выделением или поглощением тепла целесообразно применять трубки малого диаметра, разбавлять гетерогенный катализатор инертной насадкой и т. д. Ввиду трудностей с теплообменом в этом типе реактора допускается регулирование температуры с пониженной точностью – до ±1÷2ºС.

Перед началом каждого опыта через реактор надо пропустить 3-5 объемов смеси заданного состава, чтобы в аппарате установился стационарный режим. После этого отбирают пробу реакционной массы на выходе из реактора и анализируют её тем или иным методом, затем начинают следующий опыт при других параметрах процесса.

В данном случае получают одну точку концентраций компонентов реакционной смеси за определенное время пребывания в реакторе, которое определяют исходя из объема реактора и объемной скорости подачи исходной смеси следующим образом.

τ = V/W_о [время], где V – объем реактора при отсутствии насадки или за вычетом её объема в случае наличия. W_о – объемный поток реакционной смеси (объем/время), приведенной к температуре и давлению в реакторе при постоянстве объема смеси во время реакции. Если объем смеси во время протекания реакции меняется (в основном это относится к газофазным реакциям), то это учитывается при нахождении времени контакта.

Изменяя объемную скорость подачи исходной смеси, мы получаем новое время контакта и после установления стационарного режима и последующего отбора пробы на анализ новую точку в зависимости С_i – τ. Таким образом, каждый опыт дает только одну экспериментальную точку, обусловливая большую длительность и трудоемкость исследования по сравнению с периодическими условиями.

Для одной температуры необходимо получить ряд точек в зависимости изменения концентрации от времени контакта и затем провести обработку экспериментальных данных аналогично как это было показано выше для реактора периодического действия.

Дата добавления: 2014-12-10