|
Отклонения реальных реакторов от идеализированных моделейПри расчете реальных аппаратов по приведенным уравнениям необходимо введение соответствующих поправок на степень неидеальности потока. Для получения информации о характере течения потока в реакторе необходимо проследить путь каждой частицы при движении ее через аппарат, для чего следует изучить их распределение во время пребывания в аппарате. Это осуществляется экспериментально искусственным нанесением возмущений, например введением в поток реагентов трассера (краска, радиоактивный изотоп, флуоресцирующее вещество и т. п.) и снятием так называемых кривых отклика, показывающих зависимость концентрации трассера на выходе из реактора от времени. Например, если было нанесено так называемое «импульсное» возмущение — мгновенное введение трассера в поступающий поток, то на выходе из реактора идеального вытеснения через некоторое время τ0 будет обнаружен мгновенный выход всего трассера и затем сразу же снижение его концентрации до нуля (рис. 44, а). Это объясняется тем, что в реакторе идеального вытеснения все частицы движутся параллельно друг другу с одинаковой скоростью, т. е. время пребывания их одинаково. Таким образом, индикатор движется по длине реактора неразмываемым тончайшим слоем и сигнал, получаемый на выходе в момент т0, в точности совпадает с сигналом, введенным на входе в реактор при τ = 0. Если порцию индикатора, например краски, ввести в реактор идеального смешения (рис. 44, б), то она сразу же равномерно окрасит всю жидкость, находящуюся в реакторе, концентрация ее будет одинакова во всем объеме и соответствовать концентрации на выходе из реактора. Далее концентрация краски в реакторе и на выходе из него будет постепенно убывать, поскольку она выносится выходящим потоком. Рис.44. Кривые отклика на импульсное возмущение в реакторах: а — идеального вытеснения; 6 — полного смешения; в — произвольного режима.
Если характер потока в реакторе не отвечает ни идеальному вытеснению, ни полному смешению, примерный вид кривой отклика при импульсном возмущении представлен на рис. 44, в. На рис. 44, в видно, что трассер на выходе появляется позднее, чем при идеальном смешении. При этом концентрация трассера сначала растет во времени, а затем после прохождения максимума падает. Структура потока в таком реакторе занимает некоторое промежуточное положение между структурами потоков в реакторах идеального вытеснения и полного смешения. Для описания процессов, протекающих в такого типа аппаратах, необходимо знать степень отклонения от идеальности. Для определения этой степени используют некоторую упрощенную модель, более или менее точно отражающую.действительную физическую картину движения потоков. В настоящее время для описания структуры потоков в аппаратах промежуточного типа используют диффузионную и ячеечную модели. Диффузионная модель предусматривает допущение о том, что для математического описания процесса принимается аналогия между перемешиванием и диффузией. В соответствии с этим отклонение распределения времени пребывания частиц потока в диффузионной модели от распределения их при идеальном вытеснении считают следствием продольного (осевого) и радиального перемешивания. Осевая диффузия может совпадать по направлению с движением основной массы потока или быть направленной в противоположную сторону (продольное перемешивание, обратное перемешивание), в результате чего возникают различия во времени пребывания частиц в реакторе (рис. 45). Рис.45. Диф-ая модель с продольным перемешиванием. Процесс диффузии в направлении оси потока Н в большинстве случаев подчиняется закону Фика и потому модель описывается уравнением: (1) Параметр DH — коэффициент продольного перемешивания, характеризует степень перемешивания потока по оси (высоте). Перемешивание под влиянием продольной диффузии снижает среднюю концентрацию реагентов в реакторе и, следовательно, движущую силу процесса. Однако перемешивание снижает диффузионные торможения и, таким образом, увеличивает константу скорости процесса или коэффициент массопередачи в гетерогенных процессах. Усиление перемешивания вызывает также переход от идеального адиабатического процесса к изотермическому, что увеличивает константы скорости экзотермических процессов. Чтобы определить влияние перемешивания на общую скорость химического процесса, следует учитывать, во-первых, возрастание константы скорости и, во-вторых, уменьшение движущей силы процесса. Уравнение (1) представляет собой однопараметрическую диффузионную модель. Двухпараметрическая модель учитывает перемешивание потока не только в продольном, но и в радиальном направлении. Радиальная диффузия выравнивает профили скоростей концентрации реагентов, температур и сближает время пребывания отдельных частиц в реакторе. Радиальное перемешивание всегда полезно, но оно неразделимо связано с осевым. В дальнейшем будет рассматриваться только однопараметрическая диффузионная модель, т. е. радиальная диффузия не будет приниматься во внимание. Объем реактора при диффузионной модели υд можно определить по объему реактора для потока идеального вытеснения vB с введением корректирующего фактора φк, т. е. υд = υВ φк (2) Корректирующий фактор должен учитывать интенсивность смешения реагентов, геометрию реактора и кинетику реакции (константу скорости). Параметром, характеризующим осевое смешение, является безразмерный комплекс DH /wH, представляющий собой величину Ре', обратную диффузионному критерию Пекле. Комплекс DH /wH может изменяться от нуля для реактора идеального вытеснения до бесконечности для реактора полного смешения. Это подтверждают кривые отклика на импульсное возмущение, приведенные на рис. 46. Рис. 46. Кривые отклика на импульсное возмущение при различной интенсивности перемешивания в проточном реакторе смешения: 1 – режим практически идеального вытеснения; 2 – режим незначительного продольного перемешивания; 3 – режим полного смешения; 4 – режим промежуточного продольного перемешивания; 5 – режим интенсивного продольного перемешивания. Рис. 47. Кривые отклика на импульсное возмущение в ячеечной модели. Ячеечная модель характеризует батарею реакторов с неидеальным потоком реагентов, состоящую из ряда последовательно соединенных по ходу потока, одинаковых по объему ячеек, в каждой из которых поток идеально перемешан. При этом отсутствует перемешивание между ячейками. Наиболее близко этому отвечает каскад реакторов с мешалками. Кривые отклика на импульсное возмущение при различном числе ячеек в модели показаны на рис. 47. С увеличением числа ячеек п структура потока в реакторе все более отклоняется от идеального смешения. При п = ∞ достигается идеальное вытеснение. Таким образом, реактор, работающий в режиме вытеснения, может быть рассмотрен как бесконечная последовательность ячеек идеального смешения. Ячеечная модель используется для расчета реакционных и нереакционных аппаратов ступенчатого типа, например тарельчатых абсорберов, многополочных реакторов и других аппаратов, секционированных по ходу потока. Если в реакторе число ячеек п≥ 5, то такой реактор с достаточной для промышленной практики точностью может быть рассчитан как реактор вытеснения.
Конфликты в семейной жизни. Как это изменить? Редкий брак и взаимоотношения существуют без конфликтов и напряженности. Через это проходят все... ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры... Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычислить, когда этот... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|