Контрольные вопросы по «Химическим реакторам»

 

   

                     (2)

гдеCA − концентрация реагента А в реакционной смеси; τ − время пребывания

любого элемента объема в  реакторе; ωx, ωy, ωz − скорости потоков вдоль осей x,

y, z соответственно; D− коэффициент молекулярной и турбулентной диффузии;

  − скорость химической реакции (скорость расходования вещества А);

− общее изменение  концентрации реагента А во времени;

− произведения составляющих скорости потока

вдоль осей координат на градиенты концентраций – изменение  концентрации

реагента А в элементарном объеме вследствие переноса его реакционной

средой (вместе с самой  средой) в направлении, совпадающем  с направлением

общего потока (конвективный перенос);

− изменение концентрации реагента А в элементарном

объеме в результате переноса его путем диффузии (диффузионный перенос).

 

Используя уравнение материального  баланса (2), нетрудно  вывести   расчетные математические модели (характеристические и расчетные уравнения) для реакто-ров  идеального смешения периодического действия (РИС-П), идеального    сме-шения непрерывного действия (РИС-Н) и идеального вытеснения непрерывного действия (РИВ).

 

24. Общая характеристика идеальных   моделей    химических    реакторов (допущения об идеальности, характер изменения параметров  в зависимости от объёма реактора и от времени).

 

ОСНОВНЫЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Реактор идеального смешения периодического действия (РИСПД). Кастрюля с борщом, стоящая на огне, — пример химического реактора идеального смешения периодического действия. Хороший повар знает, сколько времени варить борщ, чтобы он был вкусным. Одна из важнейших характеристик процесса — время пребывания реакционной смеси в реакторе, которое должно быть согласовано с кинетикой основной химической реакции. Если время меньше необходимого, будет мал выход продукта. Если время пребывания слишком велико, могут пойти нежелательные побочные реакции. Предположим, что интересующий нас целевой продукт является промежуточным в серии последовательных реакций. Например, получим монохлорбензол, используя в качестве исходных реагентов бензол и хлор.

Схематически реакцию  можно представить в виде:

C₆H₆ + Cl₂ → C₆H₅Cl + HCl, 
 
C₆H₅Cl + Cl₂ → C₆H₄Cl₂ + HCl, 
 
C₆H₄Cl₂ + Cl₂ → C₆H₃Cl₃ + HCl

В этом случае количество монохлорбензола (целевой продукт) проходит через максимум от времени, и время пребывания должно соответствовать этому  максимуму. 
Вторая важная характеристика такого реактора — эффективность смешения. В промышленности существуют различные методы смешения реагентов и перемешивания реакционной смеси. Чаще всего для этих целей используют вращающиеся мешалки различной конфигурации. Каждый реактор со своим перемешивающим устройством можно охарактеризовать некоторым средним временем смешения τсм. Измерить τсм можно следующим образом. В какое-то место реактора вводится окрашенное вещество (индикатор). Затем, отбирая пробы в разных точках, определяют, за какое время весь объем реактора станет равномерно окрашенным. Реактор идеального смешения — это такой реактор, в котором выполняется условие τ_см <<τ_хим                (1) 
где τ_хим — характерное время химической реакции. При этом концентрации всех веществ в любой момент времени будут одинаковы во всех точках реактора. 
В некоторых случаях в реактор сначала вводится часть реагентов, а затем постепенно добавляется наиболее реакционноспособный реагент. Так, при получении хлорбензола в реактор с бензолом медленно вводится газообразный хлор. Если при этом также выполняется условие (1), то реактор носит название реактора идеального смешения полупериодического действия. Заметим, что в этом случае особенно важно, что критерием идеальности смешения является соотношение времени смешения и времени химической реакции, а не времени пребывания, которое может значительно превышать время      химической реакции. 
Реактор идеального вытеснения (РИВ). Химическую реакцию можно проводить в рубчатом реакторе, при этом предварительно перемешанные реагенты вводятся с одной стороны реактора, а конечная смесь выводится с другой. Такой реактор называется реактором идеального вытеснения. Если нет перемешивания вдоль реактора и линейная скорость перемещения реакционной массы вдоль реактора υ постоянна: реагирующая смесь как бы (или на самом деле) вытесняется поршнем. Тогда время пребывания реагирующей смеси в реакторе длиной L равно L/υ и одинаково для любой ее части. Такой реактор работает в непрерывном режиме, а каждый элемент реакционной смеси проходит такой же путь, что и в РИСПД. Поэтому описание работы обоих реакторов полностью идентично, причем параметр L/υ для РИВ просто соответствует времени реакции для РИСПД. Один из вариантов получения полиэтилена является примером промышленного процесса РИВ. 
Реактор идеального смешения непрерывного действия (РИСНД). Схема РИСНД приведена на рис. 1. В реактор непрерывно вводятся реагенты, а реакционная смесь, содержащая продукты и исходные вещества, интенсивно перемешивается и постоянно выводится из реактора. Среднее время пребывания реакционной смеси в таком реакторе равно V/W, где V — объем реактора, a W — суммарная объемная скорость подачи всех реагентов.

 
 
В отличие от рассмотренных РИСПД и РИВ в РИСНД существует широкое распределение по временам пребывания, то есть одни молекулы, попав в реактор, находятся в нем длительное время, а другие быстро его покидают. Концентрации всех веществ в этом реакторе постоянны. 
 
Интересно проиллюстрировать различие реакторов на примере так называемой живущей полимеризации. В раствор с мономером вводится инициатор, к которому последовательно присоединяются молекулы мономера, образуя полимерную цепь. Если такую реакцию проводить в РИСПД, в РИВ или обычной лабораторной колбе с мешалкой, то все макромолекулы будут иметь практически одну и ту же длину (молекулярную массу). Если тот же самый процесс проводить в РИСНД, то полимерный продукт будет состоять из набора молекул различной молекулярной массы. Другими словами, структура и свойства полимера зависят от того, в каком реакторе он получен. 
 
Условие идеальности смешения для РИСНД то же, что и для реактора идеального смешения периодического действия (1). Существенное значение для производительности реактора и особенно для качества продукта имеют тепловой режим работы реактора, температура и температурные поля в нем. 
 
Для РИСПД и РИВ можно выделить два предельных режима. Первый изотермический, когда все тепло реакции (если реакция экзотермическая) отводится от реакционной смеси. Второй адиабатический, при котором все тепло, выделяющееся в ходе реакции, расходуется на нагрев реагирующей массы. Возможны и любые промежуточные режимы, когда часть тепла отводится, а часть идет на нагрев или когда температуру в реакторе принудительно изменяют во времени для РИСПД или по длине реактора (для РИВ).

 
 
Рассмотрим установившийся тепловой режим в РИСНД. Установившимся или  стационарным называется такой режим  работы РИСНД, когда концентрации всех веществ и температура в реакторе постоянны по объему и не меняются во времени. Такой режим обычно наступает спустя некоторое время после начала его работы. Для определения температуры в РИСНД следует рассмотреть тепловой баланс. Скорость выделения тепла за счет химической реакции равна

 
где V — объем реактора, Q — теплота реакции, ω_хим — скорость реакции, k — константа скорости, k₀ и Е— предэкспоненциальный множитель и энергия активации, [A] и [B] — концентрации реагентов. Выражение для скорости реакции записано в предположении бимолекулярного процесса A + B → C. Тепло расходуется на нагрев исходных реагентов от начальной температуры T₀ до температуры T в реакторе. Скорость расхода тепла на нагрев равна Wc_р(T - T₀), где c_р — средняя теплоемкость реакционной массы. Кроме того, часть тепла отводится из реактора через стенки к теплоносителю со скоростью Sχ(T - T₁), где χ — коэффициент теплопередачи через стенку, T₁ — температура теплоносителя. Приравнивая приход и расход тепла и разделив на V, имеем

 
На рис. 2 представлены схематически левая (рис. 2, 1) и правая (рис. 2, 2) части уравнения (3). Точки пересечения — решения уравнения (3), то есть значения температур в стационарных условиях. В принципе могут существовать два устойчивых режима, соответствующие нижней и верхней точкам пересечения кривой 1 и прямой 2. Третья средняя точка пересечения, если она существует, отвечает неустойчивому состоянию. При эффективном теплоотводе или большой скорости подачи реагентов прямая 2 имеет большой угол наклона к горизонтальной оси и существует единственная точка пересечения. В этом случае работа реактора совершенно устойчива при различных температурах T0 и T1. Если прямая 2 касается кривой 1, то реактор может устойчиво работать только при высоких температурах. Если теплоотвод через стенки отсутствует и все тепло реакции идет на нагрев реакционной смеси (χ = 0), то такой режим работы РИСНД называется  автотермическим. 
 
Часто используют каскады реакторов, например два или три последовательно соединенных РИСНД. В таком каскаде удобно проводить многоступенчатый химический процесс,   подбирая  оптимальные условия    проведения  каждой стадии. 
 
Однако реальные реакторы отличаются от идеальных моделей. Так, в реакторах смешения существуют застойные зоны, в которых время пребывания, температура и концентрации веществ отличаются от средних. В трубчатых реакторах вытеснения профиль скоростей может быть неплоским, распределение по временам пребывания расширяется и т.д. 
 
Остановимся несколько подробнее на трубчатых реакторах. При ламинарном течении жидкости и постоянной температуре в гладкой трубе устанавливается параболический профиль скоростей — в центре на оси реактора самая высокая скорость течения (о ламинарном и турбулентном режимах течения. Это обстоятельство приводит к расширению распределения по временам пребывания (при турбулентном течении фронт течения становится более плоским [5]). Ситуация усугубляется при попытке провести в таком реакторе химическую реакцию получения высокомолекулярного продукта — полимера. Обычно в реакциях полимеризации выделяется большое количество тепла, которое в трубчатом реакторе должно отводиться через внешнюю стенку. Из-за высокой вязкости и низкой теплопроводности реакционной системы температура в реакторе повышается, причем в центре температура выше, у стенок ниже. Поскольку с ростом температуры молекулярная масса образующегося полимера практически всегда уменьшается (это общее свойство большинства процессов синтеза полимеров), вязкость реакционной массы в центре снижается и профиль скоростей течения еще более вытягивается, так что при определенных условиях наблюдается проскок почти не прореагировавшего вещества по центральной части реактора. Как избавиться от нежелательного эффекта? Есть разные способы. Самый простой — обеспечить перемешивание вязкой реакционной массы поперек потока, то есть приблизиться к модели реактора идеального вытеснения. Хорошее перемешивание очень вязких полимеров уже было реализовано в процессах их переработки в экструдерах, напоминающих мясорубку. В этом случае удается получить однородное распределение компонентов и их высокую дисперсность при смешении. Исходные реагенты в экструдер можно вводить в любой точке по длине экструдера, тем самым контролируя время их пребывание в реакторе и препятствуя протеканию побочных реакций. 
 

 

 

 

 

 

Литература

 

 

 

 

1 Общая  химическая технология / Под ред. А.Г. Амелина. М.: Химия, 1977. 400 с.

 

2 Бондаренко  А.А. Технология химической промышленности. Киев: Вища школа, 1982. 152 с.

 

3 Практикум  по общей химической технологии: Учеб. пособие / Под ред. И.П. Мухленова. М.: Высш. школа, 1979. 421 с.

 

4 Мухленов И.П., Тамбовцева В.Д., Горштейн А.Е. Основы химической технологии. М.: Высшая школа, 1975. 344 с.

 

5 Практикум  по химической технологии: Учеб. пособие / Под ред. С.И. Вольфковича. М., 1968.

 

6 Горбунов  Б.Н., Ширяев М.М., Гладышева Л.М.  Технология неорганического синтеза:  Метод. указ. к лаб. работам. Тамбов: ТИХМ, 1982. 16 с.

 

7 Кутепов А.М., Бондарева Т.И., Беренгартен М.Г. Общая химическая технология. М.: Высшая школа, 1990. 520 с.