4. Реальные химические реакторы.

Отличием реальных химических реакторов от моделей идеальных является отсутствие в них идеальной структуры движения потока, то есть имеет место обратное продольное перемешивание, приводящее к искажению тех допущений, при которых были составлены математические модели.

Причины не идеальности реальных реакторов:

1. вследствие конструктивных недостатков в реальных реакторах могут возникать застойные зоны, что приводит к тому, что элементы объёма реакционной смеси находятся в реакторе разное время, что приводит к различной скорости реакции в различных точках аппарата.

2. Часть реакционной смеси может не принимать участия в реакции из-за наличия внутри реакции байпасов (проскоков).

3. Наличие трения при движении реакционной смеси.

4. В реакторе наряду с застойными зонами могут иметь место зоны циркуляции.

Критерием приближением реального реактора к той или иной модели идеального служит критерий Боденштейна – это отношение вещества, переносимого конвективным потоком к количеству вещества, переносимого за счёт продольной диффузии.

, (4.1)

если В_о стремится к бесконечности, то реактор будет относится к РИВ, и, наоборот, при В_о стремящемся к нулю, реактор – РИС. Практически граничная величина данного критерия равна 10, если ниже 10 – то РИС, выше – РИВ.

4.1.Масштабирование реальных химических реакторов.

В ходе проектирования химического производства, по окончании изучения микро- и макрокинетики процесса, после выбора типа будущего химического реактора возникает необходимость в использовании этих данных для проектирования промышленного аппарата, то есть переносу данных моделей на натуру, что называется масштабированием.

Сущность сводится к нахождению условий, при которых возможен непосредственный перенос опытных данных, полученных для данной системы с одного масштаба на другой, то есть с модельной установки на аппарат промышленного масштаба. Масштабирование физических и химических процессов, протекающих в аппарате можно осуществлять с применением принципов физического моделирования. При физическом моделировании используют критерий геометрического подобия, физического подобия и химического подобия, которые могут быть получены из соответствующих дифференциальных уравнений, описывающих рассматриваемый процесс или на основании анализа размерностей, определяющих ход этого процесса. Необходимые для проектирования данные находятся при исследованиях на полупромышленных и опытных установках. Так как для описания строго математических процессов, происходящих в реакторе необходимо решение системы дифференциальных уравнений.

Цель применения физического моделирования – это достижение в большем масштабе тех оптимальных условий, которые получены на меньшем масштабе.

На ход превращений в реакторе оказывают влияние: движение материальных потоков, процессы переноса массы, тепла и, собственно, химическая реакция, поэтому для достижения полного подобия модели и натуры необходимо соблюдать следующее:

1. геометрическое подобие. Геометрическое подобие выражают симплексами (отношение длины аппарата к характерному линейному размеру - l/d);

2. гидродинамическое подобие. Критериями в данном случае могут быть критерии Рейнольдса (характеризует отношении сил инерции к силам вязкостного трения), Эйлера ( характеризует отношение силы внешнего давления к силе инерции), Грасгофа (характеризует режим движения теплоносителя при свободной конвекции).

; (4.2)

3. подобие процессов теплопереноса. В данном случае используют критерий Нуссельта (характеризует подобие процессов теплопереноса на границе поток – стенка).

; (4.3)

4. подобие процессов массопереноса. Критерием является диффузионный Нуссельт (характеризует отношение переходящего потока к диффузионному потоку).

; (4.4)

5. химическое подобие.

Критерии химического подобия могут быть найдены из общих уравнений массовых и тепловых балансов системы, в которой дополнительно осуществляется ещё и химическая реакция, то есть из уравнения Дамкелера.

; (4.5)

; (4.6)

; (4.7)

; (4.8)

Физический смысл: отношение потока компонента, образующегося вследствие химической реакции к конвективному потоку компонента.

, (4.9.)

Физический смысл: отношение потока компонента, образующегося вследствие химической реакции к диффузионному потоку компонента.

Да₁ и Да₂ обеспечивают подобие массопереноса, вследствие химической реакции.

, (4.10)

Физический смысл: тепловой поток, образующийся вследствие химической реакции к конвективному тепловому потоку.

, (4.11)

Физический смысл: отношение потока тепла, образующегося вследствие химической реакции к диффузионному потоку тепла.

Для достижения полного подобия физических и химических процессов, происходящих в модели и в натуре, необходимо и достаточно равенство величин критериев физического и химического подобия, в сходных точках пространства.