ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Расчет реакторов по кривым отклика с учетом макросостояния системы из "Методы кибернетики в химии и химической технологии Издание 3 1976" Для установления модели при наличии смешения знания кинетики и вида выходных кривых (отклика системы), характеризующих время пребывания частиц в реакторе, оказывается недостаточным. Для объяснения механизма смешения в реакторе необходимо еще знать уровень смешения в системе (микро- или макроуровень), так как от этого зависит химическое взаимодействие. [c.312] Под смешением на макроуровне, или под макросостоянием системы, понимают смешение на уровне агрегатов молекул. Поступающая жидкость распределяется на отдельные агрегаты, в свою очередь равномерно распределенные по объему аппарата. Система остается полностью разделенной (сегрегированной). [c.313] Уровень состояния системы определяется так называемой степенью разделения системы, или степенью сегрегации /. Для понятия о степени сегрегации вводится представление о концентрации в точке и о возрасте жидкости-в точке . Они означают концентрацию или возраст, усредненные по области очень небольшой в сравнении не только со всей системой, но и с размерами агрегатов молекул, но достаточно большой, чтобы содержать много молекул. [c.313] Для системы, имеющей распределение времени пребывания, аналогичное распределению в модели идеального смешения, величина / может лежать между нулем (смешение на молекулярном уровне) и единицей (случай полного разделения). Для системы, соответствующей модели идеального вытеснения, где частицы потока не смешиваются, степень разделения достигает максимального значения, равного / = 1. [c.314] Установим влияние уровня смешения или состояния системы на степень превращения в реакторах. Для этого рассмотрим схемы расположения двух реакторов, соответствующих двум крайним моделям идеального вытеснения и идеального смешения, соединенных последовательно (рис. УЫЭ). [c.314] Схемы отличаются тем, что по схеме а смешение происходит на более поздней стадии, а по схеме б — на более ранней. Общее распределение времени пребывания для обеих схем расположения реакторов одинаково (см. рис. У1-19) — для зоны вытеснения получается обычная дельта-функция (6), для зоны смешения — экспонента [т). [c.314] Реактор вытеснения с боковыми отводами (а) и реактор с максимальным смешением (б). [c.315] Предполагается поток поршневого типа или идеального вытеснения с большим числом боковых выходов, размещенных на малых интервалах друг от друга (см. рис. У1-20). Поток через эти боковые выходы отбирается таким образом, что общее распределение времени пребывания для системы равно данному распределению времени пребывания, которое изучается. [c.315] Предполагается также, что объем боковых отводов незначителен. В качестве точки в такой системе можно рассматривать очень короткий участок по длине трубы. Ясно, что распределение возраста в каждой точке чрезвычайно узкое и что в системе отсутствует смешение, за исключением смешения на общем выходе. Таким образом, молекулы с различными возрастами смешиваются так поздно, насколько это возможно, т. е. в точке А (рис. У1-20, а). [c.315] Из этой первой проточной системы, которая полностью разделена, вторая воображаемая проточная система, представляющая собой систему с максимальным смешением, может быть получена простым обращением потока. Тогда имеется много входов и один выход (рис. У1-20,б). Принимается, что смешение в радиальном направлении является идеальным и таким, что поступающая жидкость рассеивается непосредственно по всей длине трубы. Каждая молекула, как только она входит в систему, смешивается с другими молекулами, которые покидают систему одновременно. Таким образом, перемешивание молекул осуществляется так рано, насколько возможно. Это состояние определяется как состояние максимальной смешиваемости — оно противоположно понятию полной сегрегации. [c.315] Подводя итоги изложенному, приходим к следующему важнейшему выводу. Для расчета химического реактора необходимо знать 1) кинетику реакции 2) функцию отклика системы, или кривую распределёния времени пребывания 3) свойства системы— наличие макро- или микросистемы 4) иметь сведения о смешении на ранней или поздней стадии. [c.315] Классическая кинетика изучает химические превращения на микроуровне, и соответственно рассматриваемые системы являются микросистемами. Все, что было сказано ранее о расчете химических превращений различных моделей реакторов, относится к микросистемам. [c.315] Реактор периодического действия (реактор идеального вытеснения по времени). Пусть реактор заполнен жидкостью в макросостоянии, содержащей реагент А. Поскольку каждый агрегат молекул жидкости ведет себя как собственный малый реактор периодического действия, степень превращения одинакова во всех агрегатах, т. е. полученный результат идентичен случлю заполнения реактора жидкости в микросостоянии. Таким образом, для периодических процессов состояние агрегации не изменяется и не влияет на степень превращения или распределения. [c.316] Реактор идеального вытеснения. В этом случае поток полностью разделен на агрегаты молекул,, поэтому превращение в агрегате будет проходить так же, как и в предыдущем случае. Другими словами, для реактора идеального вытеснения микро-и макросостояния жидкости дают полную идентичность превращения. [c.316] Реактор идеального смешения. При введении жидкости в макросостоянии концентрация реагента в агрегатах молекул уменьшается так же, как в периодически действующем реакторе, и не достигает сразу минимального значения на выходе, что характерно для микросостояния. Концентрация реагента изменяется в зависимости от длительности его пребывания в аппарате, определяемой функцией отклика. [c.316] Таким образом, для линейных систем (реакция первого порядка) степень сегрегации I не оказывает влияния на степень превращения, т. е. реактор идеального смешения для микро-и макросистем дает одинаковый выход. [c.318] Влияние условия состояния системы (микро- или макросостояние) существенно сказывается на степени превращения для нелинейных систем в реакторе идеального смешения (см. табл. У1-3 и рис. У1-21). [c.318] Из рис. У1-21 следует, что объем реактора идеального смешения при этой же степени превращения для макросистемы больше, чем для микросистемы в случае реакций, порядок которых меньше единицы, и меньше для реакций, порядок которых больше единицы. Иными словами, с повышением сегрегации эффективность реактора идеального смешения для реакций, порядок которых больше единицы, увеличивается, а для реакций, порядок которых меньше единицы, снижается. Если функция отклика для данного реактора близка к функции отклика модели идеального вытеснения, степень сегрегации не оказывает влияния на степень превращения. [c.318] Вернуться к основной статье