Материальный баланс реактора

Так как режим работы периодических реакторов нестационарный, качество продукции изменяется от партии к партии. Реакторы периодического действия обладает низкой производительностью, высокой материало- и энергоемкостью, их трудно автоматизировать. Достоинствами этих реакторов является низкая стоимость и большая экономическая гибкость. Реакторы такого типа незаменимы при малотоннажном производстве продуктов широкого ассортимента, а также для отработки режимов процессов и исследования кинетических закономерностей.

Реакторы непрерывного действия (проточный) – это реакторы, в которых непрерывно загружается сырье и также непрерывно выгружаются продукты; все стадии процесса осуществляются параллельно и одновременно. В этих реакторах невозможно непосредственно изменить время реакции, поэтому пользуются понятием условного времени пребывания реагентов в реакторе.

,

где V_p – объем реактора (м³);

v_об. – объемная скорость подачи сырья (м³/ч)

Проточные реакторы характеризуются высокой производительностью, стационарностью работы, качеством продукции, позволяют рационально использовать энергию, легко автоматизировать процесс. Их недостатками является трудность запуска и установки, поэтому проточные реакторы используются в случае крупнотоннажных производств.

Реакторы полунепрерывного и полупериодического действия - это различные комбинации непрерывной и периодической организации работы реактора.

2) По гидродинамическому режиму:

- реакторы смешения

- реакторы вытеснения.

В ректорах смешения конвективный перенос реагентов происходит путем интенсивного перемешивания, например, механической мешалкой или циркуляционным насосом.

В реакторах вытеснения перемешивания нет, а конвективный перенос реагентов осуществляется путем направленного движения потока реакционной смеси вдоль оси реактора.

В первом случае интенсивность конвективного переноса определяется скоростью вращения мешалки, во втором – линейной скоростью движения потока.

3) По тепловому режиму:

- адиабатические

- изотермические

- политропические

В адиабатических реакторах отсутствует теплообмен с окружающей средой и весь тепловой эффект реакции расходуется на изменение температуры реакционной смеси. Это идеальный реактор; такой тепловой режим практически нереализуем.

В изотермических реакторах обеспечивается такой теплообмен с окружающей средой, который компенсирует полностью тепловой эффект реакции. В результате температура реакционной смеси остается строго постоянной. Это тоже идеальный реактор; на практике такое осуществить очень трудно. Близко к изотермическому режиму работают реакторы, в которых проводят процессы с очень малыми тепловыми эффектами или очень малой скоростью реакции, а также процессы, протекающие в растворе, где концентрация реагентов небольшая и тепло аккумулируется большим объемом растворителя.

Ближе к реальным условиям работы относится модель политропического реактора, в котором тепловой эффект химической реакции частично компенсируется за счет теплообмена с окружающей средой, а частично – за счет изменения температуры реакционной смеси.

4) По фазовому составу реакционной смеси:

- реакторы для проведения гомогенных процессов (газофазных и жидкофазных)

- реакторы для проведения гетерогенных процессов

- реакторы для проведения гетерогенно-каталитических процессов (контактные аппараты).

5) По конструктивным характеристикам:

- емкостные реакторы

- колонны

- трубчатые реакторы

- печи (реакторы для высокотемпературных процессов)

- и другие.

Материальный баланс – это равенство прихода и расхода вещества в реакторе или в процессе. Теоретической основой составления материальных балансов является закон сохранения материи М.И. Ломоносова.

Составим материальный баланс реактора, в котором протекает простая необратимая реакция А → С.

Масса реагента, поступающего в реактор, в единицу времени, равно массе реагента А, расходуемому в реакторе в единицу времени.

m_{А приход} = m_{Арасход}

Реагент А расходуется на химическую реакцию, часть реагента выходит из реактора, часть – остается в реакционном объеме в неизменном виде (накапливается).

m_{Арасход} = m_{А хим.р.} + m_{А сток} + m_{А накопл.}

m_{А приход} = m_{А хим.р.} + m_{А сток} + m_{А накопл.}

m_{А приход} - m_{А сток} = m_{А хим.р.} + m_{А накопл.}

Обозначим m_{А приход} - m_{А сток} = m_{А конвек.} – масса реагента А, переносимого за счет конвекции (потоком реакционной массы).

Тогда m_{А накопл.} = m_{А конвек.} - m_{А хим.р.}

Масса реагента А, остающееся неизменным в реакционном потоке, равно разнице между массой вещества А, переносимым конвективным потоком, и массой вещества А, израсходованным на химическую реакцию. Это есть уравнение материального баланса в общем виде.

Когда концентрация реагента непостоянна в различных точках объема реактора или во времени, нельзя составлять материальный баланс в общем виде, для всего объема реактора. В этом случае составляют материальный баланс для элементарного объема реактора.

Основой этого материального баланса является уравнение конвективного переноса (см. Амелин и др. с.71-73).

где С_А – концентрация реагента А в реакционной смеси;

x,y,z – пространственные координаты;

W_x, W_y, W_z – составляющие скорости потока;

D – коэффициент диффузии;

r_A – скорость химической реакции.

Член характеризует изменение концентрации реагента А во времени в элементарном объеме и соответствует m_{А накопл.} в общем уравнении материального баланса.

Член отражает изменение концентрации реагента вследствие переноса его в направлении, совпадающим с направлением общего потока.

Член отражает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме в результате переноса его путем диффузии. Вместе эти члены характеризуют суммарный перенос вещества в движущейся среде путем конвекции и диффузии; в общем уравнение материального баланса им соответствует член m_{А конвек.}.

Член r_A показывает изменение концентрации реагента А в элементарном объеме за счет химической реакции. Ему соответствует член m _{А хим.р.} в общем уравнении материального баланса.

Полученное дифференциальное уравнение очень сложно в решении. В зависимости от типа реактора и режима его работы оно может быть преобразовано и упрощено.

Дата добавления: 2014-01-05