Идеальные реакторы

Выбор реактора определяется, прежде всего, типом изучаемого процесса – гомогенный или гетерогенный, гомофазный или гетерофазный. В зависимости от структуры потока реакционной массы все идеальные реакционные устройства можно разделить на три вида.

Закрытый реактор полного смешения. Применяется для гомогенных, гетерогенных, гомофазных и гетерофазных процессов. Необходимое условие – отсутствие градиентов концентрации и температуры по объёму . В системах газ – жидкость и газ – жидкость – твёрдый катализатор количество реагирующего газа определяется с помощью измерения объёма поглощённого газа (показания бюреток), по изменению давления в системе или по изменению состава газа. Интегральная форма уравнения в таком реакторе:

(2)

где t – время реакции, |RA| – кинетическое уравнение для скорости изменения реагента А, А – один из исходных реагентов.

Проточный реактор идеального вытеснения. Модель такого интегрального реактора (3)

(3)

позволяет найти интегральные выражения для объёма реактора V или времени контакта τ

(4)

где – Fi – мольный поток, α – степень превращения, , W0 – начальная скорость потока.

При , где U – объёмная скорость,

(5)

При W0 = W = const, τ – время контакта

Реактор этого типа должен обеспечить отсутствие градиентов температуры и линейной скорости

где l – длина трубы, D – диаметр трубы,w – линейная скорость потока, что трудно достижимо. В случае зёрен катализатора, заполняющих трубу, возникает эффект продольного перемешивания, искажающий кинетический закон изменения СА = f(τ). Реактор такого типа не рекомендуется использовать в кинетических исследованиях. В таких реакторах трудно бороться с наличием диффузионных осложнений. При больших скоростях потока, малых степенях превращения и тонком слое катализатора проточный реактор может стать безградиентным дифференциальным реактором, работать в кинетической области и позволяет получить скорость реакции в форме уравнения

(6)

Увеличение сложности интегрального кинетического уравнения в проточном реакторе идеального вытеснения хорошо отражает пример простой реакции

A = 2P (7)

идущей с увеличением объёма при простом виде зависимости |RA| = kCA. В этом случае для выражения величины СА необходимо использовать коэффициент изменения объёма потока ε.

(8)

где βi – стехиометрические коэффициенты в итоговом уравнение реакции (в нашем случае 2 – 1 = 1), γB и γи – отношения скоростей подачи других реагентов (WB0) и инертов (Wи) к WA0. В нашем случае γB и γи равны нулю. Таким образом, ε = 1. Тогда и

(9)

(10)

Проточный реактор полного смешения. Этот реактор применим для всех типов реакционных систем и позволяет обеспечить и В случае газофазных гетерогенных систем катализатор помещают на лопостях мешалки, обеспечивая режим полного смешения и кинетическую область (отсутствие внешнедиффузионного торможения) или используют проточно-циркуляционные реакторы. Реакторы полного смешения могут быть открытыми не по всем реагентам. Например, один из реагентов находится в жидкой фазе в реакторе. А второй подаётся в реактор в виде газа.

В условиях стационарности, в проточном реакторе полного смешения скорость реакции описывается уравнением (11)

(11)

Необходимым условием использования всех типов реакторов для кинетических исследований является элиминирование влияния процессов переноса вещества (диффузионных процессов) на скорость химической реакции. Скорости подвода вещества к поверхности катализатора, внутрь пор зерна катализатора, к поверхности жидкости и в объём жидкой фазы из газа, скорость переноса вещества между двумя жидкими фазами должны заметно превышать скорости самого химического превращения.

Copyright © 2024 - All Rights Reserved - www.chemicalnow.ru