Химические реакторы

Процессы синтеза полимеров в заданных условиях могут осуществляться только в замкнутых и изолированных от влияния внешней среды аппаратах - химических реакторах. С точки зрения достижения определенной степени превращения моно­мера (мономеров) в полимер наиболее важной в реакторах явля­ется гидродинамическая обстановка. По этому признаку принято различать реакторы смешения (РС) и реакторы вытеснения (РВ).

Существующие модели имеют дело с идеальными режимами и реакторами - идеального смешения (РИС) и идеального вытеснения (РИВ).

Идеальный гидродинамический режим в реакторах смешения характеризуется полной изотропностью реакционной смеси по всем возможным параметрам: концентрациям, плот­ностям, вязкостям, теплоемкостям, а также их функциям (на­пример, скоростям реакции). Таким образом, постулируется, что все свойства потока на выходе из реактора идентичны свойствам реакционной смеси в нем. Такой режим реализует­ся в периодическом и непрерывно действующем (проточном) реакторах идеального смешения. Реально даже для гомогенных низко вязких смесей полностью растворимых реагентов и от­носительно медленных реакций это верно лишь для реакторов в которых диаметр равен высоте Н = D и перемешивание осуществляется эффективной турбин­ной мешалкой диаметром d_M = 0.25-0.33 D, расположенной на расстоянии своего диаметра от дна аппарата, и имеющие от­ражающие перегородки определенной ширины вдоль стенок реактора, которые препятствуют закручиванию потока и умень­шают глубину центральной воронки.

Реактор идеального вытеснения представляет собой термостатируемую трубу, через которую прокачивается с опре­деленной скоростью реакционная смесь. Идеальным считается поршневой режим, характеризующийся полной изотропностью реакционной смеси в любом поперечном сечении этой трубы и отсутствием обратного (продольного) перемешивания по оси трубы. Последнее возможно при условии, что скорость течения значительно превосходит скорость диффузии веществ, вызван­ной градиентами их концентраций по оси потока, в направле­нии, обратном потоку. Реально такой поток реализуется только при развитой турбулентности (коэф. Re > 10000) и отношении длины трубы к ее диаметру не менее 10. Считается также, что в любом проточном реакторе стационарный режим устанавливается только после пропускания через него количества вещества не менее 10- крат­ного к его объему.

Кинетическое описание идеального периодического реактора является простым следствием из уравнения его материального баланса по ключевому веществу (мономеру).

-dN_м = Vr_мdτ, или –d[M] = r_мdτ

где N_M - количество превращаемого мономера [кмоль];

V - объем реактора (точнее реакционной смеси в нем) [м^З];

г_м - скорость реакции по веществу М [кмоль/(м^З. с)];

τ - время нахождения (пребывания) реакционной смеси в реакторе (или время реак­ции для периодического реактора) [сек],

[M] – концентрация мономера,

Для РИВ (если объем реакционной смеси в ходе реакции не изменяет­ся (изменяется незначительно) уравнение имеет вид:

–d[M] = r_мdθ,

θ = V/w - среднее по поперечному сечению реактора время пребывания для идеального реактора вытеснения, которое одинаково для любой частицы потока в данном сечении (поршневой режим).

w - объемный поток реагентов на входе в реактор в [м³/с],

Для РИС уравнение имеет вид:

[М]о - [М] = г_{м *}θ

Θ для реактора идеального смешения распределено по экспоненциальному закону.

В зависимости от конкретных кинетических и физических свойств реакционной системы сте­пень идеальности может существенно изменяться. Например, нарушение режима идеального смешения в реакторах смеше­ния может приводить к образованию застойных зон и проско­ку непрореагировавших веществ.

Для процессов, контролируемых скоростями химических ре­акций, режимы идеального смешения и вытеснения существен­но различаются по степени превращения реагентов, достигае­мой за одно и то же время пребывания. Вызывается это тем, что средняя по реактору концентрация веществ (а следовательно, и средняя интегральная скорость реакции) в РИС ниже, нежели в РИВ.

Таким образом, средние кон­центрации, скорости реакций и величины, от них зависящие, будут различными в РИВ и РИС. Различными в них будут и параметры ММР образу­ющегося полимера.

Дата добавления: 2014-01-05