Реактори

Реактори поділяються на газові і рідинні, на рис. 6.10

 

 

 

 

Рис. 6.10. Реактори: газовий (а) і рідинний (б)

 

Газові реактори, як правило, мають три вихідні величини: концентрацію цільового продукту, температуру і тиск. Газова суміш, яка надходить в реактор, попередньо нагрівається до температури Т _г, близької до температури реакції. Реакції в газовому потоці (за невеликим винятком) відноситься до екзотермічних, тому реактор необхідно охолоджувати до деякої температури Т. Якщо газова суміш складається з двох потоків, то на вході в реактор вона містить два компоненти з концентраціями Q ₁, Q ₂. В результаті реакції між цими компонентами створюється нова речовина з концентрацією Q. Теплота, яка надходить у реактор, складається з теплоти газового потоку та теплоти, яка виділяється під час реакції. Рівняння теплового балансу газового реактору має вигляд:

, (6.80)

де ; – теплота, що виділяється в результаті реакції; ; ; – теплота, що передається через стінку до холодоносія; – витрати газової суміші та її теплоємність; r– теплота реакції; – густина суміші у реакторі; – коефіцієнт теплопередачі через стінку; S – поверхня теплообміну; Т_с – температура стінки.

Коефіцієнт може бути визначений через витрати холодоносія за формулою:

, (6.81)

де – коефіцієнт пропорційності.

Рівняння матеріального балансу за реагуючим компонентом має вигляд:

. (6.82)

де ; – маси реагуючих компонентів; – кількість речовини, що створюється в процесі реакції; –кількість нової речовини у реакторі; – кількість маси на виході реактора; – об’єм реакційної зони; – стала швидкості реакції; – стала величина; – енергія активації; – універсальна газова стала; Т – температура; – максимально досяжна концентрація цільового продукту.

Якщо тиск Р у реакторі регулюється змінною витрат F_в газу на виході то:

. (6.83)

де – коефіцієнт витраті прохідний отвір каналу.

У рідинному реакторі рис. 6.10 (б) неперервної дії реагуючі потоки з витратами і концентраціями безпосередньо завантажуються у реактор з мішалкою. У об’ємі реакційної маси відбувається реакція, в результаті якої отримується новий продукт з концентрацією Q. Об’єм підтримується завдяки стоку реакційної маси . Вважається, що реакція екзотермічна, і температура Т у реакторі підтримується за рахунок подачі холодоагенту у оболонку.

Рівняння теплового балансу має вигляд:

. (6.84)

де ; ; ; ; ; – втрати теплоти з газами; – теплота, що віддається теплоносієві; – густина реакційної маси; – маса і теплоємність реакційної речовини.

Рівняння матеріального балансу реактору за концентрацією аналогічне (4.17й). Слід врахувати, шо

(6.85)

У реактор періодичної дії реагенти з масами завантажуються, після чого створюються умови для реакції (наприклад, підвищення температури). Якщо реакція екзотермічна, то після досягнення температури реакції, теплоносій відключається і в оболонку реактора подається холодоносій для забезпечення сталості температури реакції. Тобто процес регулювання температури у реакторі здійснюється зміною витрати холодоносія . Тобто рівняння теплового балансу реактора буде:

(6.86)

де ; ; ; – втрати теплоти з газами, що відходять.

Рівняння матеріального балансу має вигляд:

, (6.87)

де ; ; ; – масова швидкість перемішування.

З рівнянь матеріального та теплового балансів видно, що вони взаємопов’язані, тому такі об’єкти відносяться до об’єктів із взаємними сильними зв’язками.

У кожному конкретному випадку математичну модель складають виходячи з конкретної задачі дослідження, враховуючи необхідну точність.

Обмеження накладаються на подальші параметри та характеристики: технологічні параметри процесу; статичні характеристики об'єкту по досліджуваних каналах; залежність вихідного сигналу від лінійних координат (просторового положення); залежність вихідного сигналу від характеру внутрішніх зворотних зв’язків; втрати енергії; характеру обраної моделі (ідеального витіснення, змішування та ін.)

До параметрів на які накладаються обмеження відносяться: коефіцієнт теплопровідності; в’язкість; теплоємність; коефіцієнти тепло- і масопередачі, коефіцієнти тепло- і масообміну.

Коефіцієнт теплопровідності для газу (рівняння Сатерленда):

, (6.88)

де – коефіцієнт теплопровідності при 0 ^°С; Т – температура; с – стала Сатерленда для теплопровідності.

Для рідини (формула Вебера):

. (6.89)

де с – теплоємність; – густина рідини; М – молекулярна вага.

Для в’язкості газів:

, (6.90)

де с – стала Сатерленда для в’язкості.

Для рідин:

. (6.91)

де А,В – сталі.

Теплоємність:

. (6.92)

де а, в, с – емпіричні коефіцієнти.

Коефіцієнт тепловіддачі:

. (4.181)

де – витрата; – діаметр труби; – сталі коефіцієнти.