Химические реакторы с неидеальной структурой потоков. Причины отклонения от идеальности в проточных реакторах

В теории реакторов разработаны модели, позволяющие учесть неидеальность потока. Эти модели тоже являются приближенными, однако они более точно описывают реальный процесс, чем модели идеального смешения или вытеснения.Математические модели реальных реакторов могут быть построены на основе двух подходов.

1. Основан на мысленной замене реального реактора той или иной комбинацией идеальных аппаратов.
2. При составлении математического описания стремятся учесть все реальные физические явления, происходящие в аппарате и внести их в уравнение модели.

При первом подходе математическая модель представляет собой систему уравнений, объединяющих математические описания нескольких идеальных реаторов. Число уравнений может быть велико, но по структуре они остаются такими же простыми, как и уравнения идеальных моделей.При втором подходе число уравнений может быть меньше, но они более сложные и следовательно сложные методы их решения.Большинство производственных реакторов работает в режиме ча­стичного или локального перемешивания реагентов с продуктами реакции, т. е. реальный реактор занимает некоторое промежуточ­ное положение между реакторами полного смешения и идеального вытеснения. Такие реакторы достаточно точно описываются так на­зываемой диффузионной моделью.

18.Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах Температурный (тепловой) режим проведения химического процесса, обеспечивающий экономически целесообразную макси­мальную производительность единицы объема реактора (интен­сивность) по целевому продукту, называют оптимальным.Подход к разработке оптимального температурного режима может быть различным в зависимости от типа химической реакции. Очевидно, что максимальная интенсивность реактора будет достигнута при проведении процесса с максимально возможной скоростью. Рассмотрим поэтому, как влияет тип кинетического уравнения на выбор температурного режима. Решение практической задачи проведения процесса в промыш­ленном реакторе в соответствии с оптимальным температурным режимом зависит от многих факторов и прежде всего от теплового эффекта и кинетики реакции.Для эндотермических (обратимых и необратимых) реакций целесообразно химический процесс проводить в реакторах с подводом теплоты, причем желательно обеспечить достаточно равно­мерное распределение температуры по объему реактора. Распрост­раненным типом аппаратов для проведения эндотермических реакций являются трубчатые реакторы, похожие по конструкции на кожухотрубные теплообменники. В этих аппаратах трубное про­странство представляет собой собственно реактор, в котором реа­генты движутся и режиме вытеснения, а по межтрубному простран­ству проходит теплоноситель, например топочные газы. Трубчатый реактор для проведения каталитических реакций, обогреваемый топочными газами, применяют, в частности, для паро­вой конверсии природного газа. Аналогичную конструкцию имеет ретортная печь для синтеза бутадиена из этилового спирта, в которой

катализатор вместо труб располагают в ретортах — узких каналах с прямоугольным сечением. В таких реакторах ширина попереч­ного сечения каналов, по которым движется реакционная смесь, должна быть невелика, чтобы получить достаточно равномерное распределение температуры по сечению. Так как в реальных реак­торах гидродинамический режим отклоняется от режима идеаль­ного вытеснения, при котором в любом поперечном сечении ус­ловия выровнены, то температура в центре канала отличается от температуры у стенки. При проведении каталитических про­цессов можно наносить катализатор только на внутреннюю повер­хность труб,что обеспечит примерно одинаковую температуру по всему реактору.Гомогенные эндотермические реакции можно также осуществ­лять в реакторах с интенсивным перемешиванием и теплообменной поверхностью, так как и в этом случае будет обеспечено рав­номерное распределение температуры по реактору.Экзотермические реакции проводят, как правило, либо в ади­абатических условиях, либо в аппаратах с отводом теплоты.При проведении экзотермических процессов микробиологи­ческого синтеза повышение температуры ограничено жизнестой­костью микроорганизмов. Поэтому такие процессы целесообраз­но осуществлять в реакторах с отводом теплоты, а во избежание локальных перегревов лучше использовать реакторы, гидродина­мический режим в которых приближается к идеальному смеше­нию. Интенсивное перемешивание в таких процессах не только обеспечивает равномерное распределение температуры, но и ин­тенсифицирует стадии массопередачи кислорода из газовой фазы в жидкую.Обратимые экзотермические реакции нужно проводить в соот­ветствии с линией оптимальных температур, т.е. понижая темпе­ратуру в аппарате по мере роста степени превращения реагентов. Такой режим неосуществим ни в адиабатических, ни в изотерми­ческих реакторах: при адиабатическом режиме рост степени пре­вращения сопровождается выделением теплоты и разогревом, а не охлаждением реакционной смеси; при изотермическом режиме температура остается постоянной и не меняется с ростом степени превращения.На практике обычно считают, что степень прибли­жения клинии оптимальных температур удовлетворительная, если для реактора выполняется условие:Сравнительно простым способом приближения к оптимальному режиму является проведение процесса в многосекционном реакто­ре вытеснения, в котором каждая секция работает в адиабатическом режиме, и между секциями имеется промежуточное охлаждение.Возможным вариантом осуществления процесса по оптималь­ному температурному режиму является и применение каскада ре­акторов смешения, в каждом из которых поддерживается своя темпе­ратура благодаря введению теплообменных поверхностей (рис.1,а). Задавшись температурой Т₁, а следовательно, и степенью превра­щения в первой секцииx_A,e, соответствующей верхней границе области оптимальных температур, можно рассчитать необходимый объем первой секции, рассматривая ее как реактор, работающий при постоянной температуре. Аналогично могут быть рассчитаны вторая и третья секции. Уравнение теплового баланса для таких реакторов позволит определить необходимую поверхность тепло­обмена и расход хладагента для полдержания в секциях темпера­тур, заданных рабочей линией процесса (рис. 1,б) .Для каждого из рассмотренных вариантов возможна дальнейшая оптимизация процесса — расчет оптимальных объемов секций, на­чальных температур, объемных расходов в байпасных линиях и т. д. При такой оптимизации стремятся получить наиболее целесооб­разные экономические показатели процесса.