Химические реакторы с неидеальной структурой потока.

При составлении математической модели реакторов идеального смешения и вытеснения был сделан ряд допущений, облегчающих как построение моделей, так и расчеты на их основе. Однако эти допущения не всегда близки к реальным условиям. Рассмотрим сначала основные причины отклонений от идеальности.

1) Причина отклонения в непрерывно действующих (проточных) реакторах можно охарактеризовать следующим образом: в аппарат поступает реакционная смесь и каким-то образом перемещается от входного отверстия до выходного

. При этом предполагается, что все элементы реакционного потока находятся в реакторе некоторое время, в течение которого может протекать химическая реакция. В общем случае время протекания отдельных элементов потока в проточном аппарате – это непрерывная случайная величина, значение которой может меняться от 0 до бесконечности. Может оказаться так, что какой-то элемент потока в реакции не участвует, так как он попадает в реакторе в так называемую застойную зону. Здесь реакционная смесь задерживается и скорость химической реакции если не равна 0, то существенно отличается от скорости реакции в основном потоке. Возможные варианты застойных зон:

2) Второй причиной, по которой часть реакционного потока может не применять участие в реакции, является наличие байпасов.

Образование внутренних байпасных линий

Особенно часто байпасы возникают при недостаточно продуманном конструктивном решении в аппарате, где реакционным пространством является поверхность зернистого катализатора.

Наилучшие результаты могли бы быть получены, если бы все элементы реакционного потока находились в зоне реакции строго одинаковое время. Это возможно в аппарате идеального вытеснения, характеризующимся плоским профилем линейных скоростей потока. Однако в реальных реакторах, даже близких к идеальному вытеснению, все-таки существует какое-то распределение элементов потока во времени пребывания, возможно вследствие частичного перемешивания элементов потока в осевом направлении. Такое перемешивание может возникнуть в результате молекулярной диффузии в двух соседних точках потока по длине реактора вытеснения концентрации участников реакции будут разными, разность концентрации ΔС является движущей силой диффузии. Наличие продольной диффузии приводит к нарушению поршневого течения потока – произойдет размывание поршня, если рассматривать некоторый элемент потока как поршень.

Наряду с молекулярной диффузией происходит турбулентная диффузия. Турбулентный поток отличается наличием направленных во все стороны хаотических пульсаций скорости относительно ее среднего значения. При этом пульсации в радиальном направлении приводят к выравниванию условий (концентраций, температуры) по поперечному значению и следовательно необходимы для реактора идеального вытеснения. Пульсации в продольном направлении, наоборот, приводят к тому, что одни элементы потока обгоняют основную массу, другие отстают от нее, т.е. происходит перемешивание или диффузия. Диффузия в осевом направлении происходит не только в турбулентном течении потока. Продольное перемешивание может быть следствием неравномерности поля скоростей, например при ламинарном течении жидкости. В этом случае элементы потока движутся в центре канала быстрее, чем у стенки. Если в какой-то момент времени τ поместить частицы, находящиеся в каком-то сечении потока, то в более поздние моменты τ₂, τ₃ помеченные частицы окажутся на поверхности параболоида, те из них, которые движутся по оси трубы, уйдут дальше всех, т.е. у самой стенки не сдвинутся с места – их скорость равна 0. И хотя характер движения не хаотический (в любой момент времени можно предсказать положение выбранной частицы), результат будет тот же, что и в случае молекулярной диффузии - размывание поршня. Такой вид диффузии носит название – тейлоровская диффузия.

τ₁ τ₂ τ₃ τ₄