ВВЕДЕНИЕ В ОПИСАТЕЛЬНЫЕ УРАВНЕНИЯ ДЛЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ

Существует 3 основных идеальных типа реакторов. Лабораторные реакторы почти исключительно относятся к этим идеальным формам.  Более крупные реакторы, экспериментальные установки или промышленные, обычно могут быть математически описаны отклонениями от этих идеальных реакторов. Дополнительные сложности в описательные или "проектные" уравнения вносит наличие нескольких фаз.

Математические описания 3-х идеальных типов реакторов основаны, по сути, не на чем ином, как на балансе массы и тепла. Эти описательные уравнения связывают различные параметры реакционной системы, такие как температура, скорость реакции, конверсия, расход и размер реактора. Хотя применение этих уравнений является неотъемлемой частью учебной программы бакалавриата по технологии реакций, которую изучают инженеры-химики, ученые-каталитики, не имеющие такого образования, обычно не знакомятся с выводом и применением этого набора фундаментальных уравнений. Тем не менее, любой, кто занимается каталитическими реакциями, должен иметь такое образование. Цель этой заметки Альтамиры - показать простоту того, как выводятся эти описательные уравнения. 3 идеальных типа реакторов:

• ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ
• CSTR (или обратное смешивание)
• ПРОБКОВЫЙ ПОТОК

Реактор ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ можно представить, как показано на рисунке 1. По существу, это реактор, который загружается реагентами в момент времени = 0, работает как замкнутая система, за исключением теплового потока во время реакции, и поддерживается в хорошо перемешанном состоянии для минимизации градиентов температуры или концентрации в зоне реакции. CSTR (резервуарный реактор с непрерывной мешалкой) может быть представлен, как показано на рисунке 2. Это проточный, хорошо перемешанный реактор, который в идеале не имеет градиентов внутри реактора. Реактор PLUG FLOW - это проточный реактор, который можно представить, как показано на рисунке 3. Он моделируется математически как поток пробок жидкости через реактор без какого-либо обратного перемешивания вообще.

Для изотермической работы реактора, нормальной ситуации для лабораторных реакторов, описательные уравнения для различных идеальных реакторов получены из применения баланса массы по всему или дифференциальной части реактора:

{скорость потока A in} - {скорость истечения A out} - {скорость исчезновения A в результате реакции} = {скорость накопления A в системе} [I]

где A может быть реагентом или продуктом. Баланс массы всегда рассчитывается на молярной основе. РЕАКТОР ПЕРИОДИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ

Для реактора периодического действия с хорошим перемешиванием баланс массы просто

где t - время реакции, rA - скорость реакции, Vr реактора или, что более важно, реакционного объема, и NA общее количество молей A в реакторе. Скорость реакции обычно выражается в степенной форме, такой как

где k - константа скорости, CA - концентрация A, а n - порядок реакции. Это степенное выражение скорости часто является функцией концентраций нескольких реагентов. В этом случае концентрации различных компонентов соотносятся с концентрациями того, который используется в качестве основы для расчета, в данном случае A, так что все концентрации могут быть связаны с % конверсией A. Поскольку NA = NaI – XANAi, где NaI - начальное число молей A в реакторе, а XA - доля преобразованного A, уравнение [II] можно переписать как POPRAWI? У?АМКИ!!!!!

Реактор периодического действия [V], где XAf - конечная фракционная конверсия A. Это расчетное уравнение для реактора периодического действия. Интегрирование уравнения [V] требует выражения всех переменных в терминах XA. Таким образом, rA должно быть выражено как функция XA. Для случая, когда

VR - это константа (не функция XA), где * все реагирующие вещества находятся в газовой фазе, а реактор представляет собой жесткий сосуд или * все реагирующие вещества находятся в жидкая фаза, и при реакции не происходит изменения объема. Таким образом, для изотермической реакции 1-го порядка с постоянным объемом уравнение [V] дает POPRAWI? У?АМКИ!!!!!!!!!!!!1

Для rA = k CA2

CSTR Для типичной работы в стационарных изотермических условиях, массовый баланс в уравнении [I] уменьшается для хорошо перемешанного CSTR до

где vi - начальная общая сумма объемный расход. Затем это уравнение можно записать в виде:

где "пространственное время" - это среднее время пребывания атома в реакторе. Уравнение [XI] - это расчетное уравнение для CSTR. Чтобы завершить какие-либо вычисления, необходимо выразить rA как функцию XAf. РЕАКТОР С ПРОБКОВЫМ ПОТОКОМ (PFR) Для типичной работы в стационарных изотермических условиях PFR также может быть описан простым балансом массы. Для PFR необходимо интегрировать по всему реактору, поскольку по своей природе PFR имеет значительные различия в концентрации и скорости реакции от его входа до выхода. Чтобы вывести интегральное уравнение, баланс массы записывается вокруг дифференциального элемента, который можно считать не имеющим градиента (см. рис. 4).

Таким образом,

Уравнение [XIII] представляет собой расчетное уравнение для реактора PF. Для реакции без изменения объема и rA = kCA

Рассмотрим газофазную реакцию aA + bB + ... -> rR + sS + ... Для реактора с постоянным давлением изменение объема при реакции преобразуется в изменение объемного расхода. Это изменение объема во время реакции задается

POPRAWI? УЛАМКИ!!! Для этой ситуации уравнение [XIII] может быть выражено следующим образом.

ПОПРАВИ? УЛАМКИ!!!! Для реакции 1-го порядка, такой, что r

Подставляя в уравнение [XV] выражения в [XVI] и [XVII], получаем следующее уравнение:

РЕЗЮМЕ Была предпринята попытка представить основные конструктивные/описательные уравнения для 3 идеальных реакторов. Хотя во всех случаях использовался объем реактора, VR, для каталитических реакций количество катализатора в реакторе определяет скорость реакции в отсутствие неидеального поведения. Таким образом, для катализируемых реакций чаще всего используется масса катализатора. Туалет, будет использоваться. Это связано с активным объемом в реакторе независимо от физической конфигурации используемого катализатора, т.е. с неподвижным слоем, суспензионной фазой и т.д. Опять же, разработанные уравнения были основаны на изотермической работе реакторов. Неизотермическая работа потребовала бы одновременного решения как энергетического, так и массового балансов. Однако, поскольку большинство лабораторных исследований направлено на разработку катализатора, изотермический режим является скорее правилом, чем исключением из-за большей простоты интерпретации данных реакции. Дополнительную информацию о разработке реакторов/реакций можно найти во вводных текстах, таких как следующие: Элементы разработки химических реакций Х. Скотта Фоглера, Прентис-Холл, Энглвуд-Клиффс, Нью-Джерси, 1986. Химическая инженерная кинетика, 3-е издание, Дж.М. Smith, McGraw-Hill Book Company, Нью-Йорк, 1981.

Введение в химическую инженерную кинетику и проектирование реакторов К.Г. Хилла-младшего, Джона Уайли и сыновей, Нью-Йорк, 1977. Технология химических реакций. 2-е издание, Октав Левеншпиль, Джон Уайли и сыновья, Нью-Йорк, 1972 год. Основы технологии химических реакций К.Д. Холланда и Р.Г. Энтони, Прентис-Холл, Энглвуд-Клиффс, Нью-Джерси, 1979. Конструкция гетерогенного реактора Хонга Х. Ли, издательство Баттеруорт Паблишерс, Бостон, 1985 год. ПРЕДСТОЯЩИЕ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЕ ЗАМЕТКИ ALTAMIRA О КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРАХ Предстоящие исследовательские заметки будут посвящены следующим темам: "Лабораторные реакторы против реакторов коммерческого масштаба: Компромиссы для разработки катализатора и процесса" "Введение в стационарный изотопный кинетический анализ переходных процессов (SSITKA): Мощный метод для изучения многих коммерческих реакций" "Применение SSITKA к анализу катализаторов и путей реакции"