Характеристики реального реактора вытеснения

Различия в реакторах идеального и реального вытеснения объясняются следующими причинами.

Во-первых, из-за отсутствия материалов, выдерживающих плазменные температуры, стенки реального реактора приходится охлаждать и поддерживать при более низких температурах. В результате появляются радиальные градиенты температур и связанные с ними радиальные градиенты скорости потока.

 

Это приводит к тому, что скорости химических превращений в пристеночной области реактора значительно меньше, чем в центральных областях. При этом увеличение времени пребывания пристеночного слоя газа в реакторе, за счет снижения скорости потока вблизи охлаждаемых стенок, лишь незначительно компенсирует данный эффект.

Для того чтобы в этих условиях обеспечить расчетную степень химического превращения, необходимо увеличить длину реактора. Но это приведет к снижению селективности ПХ-процесса, целевой продукт которого является промежуточным в цепи химических превращений в реакторе, поскольку скорость превращения в высокотемпературном ядре потока остается высокой.

Для увеличения эффективности ПХ-реактора, предназначенного для проведения процесса, целевой продукт которого является промежуточным, стенку реактора теплоизолируют (футеруют) и максимально повышают ее температуру (насколько позволяет изолирующий материал и материал стенки реактора).

Второй причиной, приводящей к различию реальных и идеальных реакторов вытеснения, является влияние турбулентной диффузии в направлении оси реактора (продольная диффузия). Ее влияние тем сильнее, чем больше величина , где Ре – критерий Пекле. Для вышеприведенного примера эта величина равна 3·10^-3 (при средней скорости потока 500 м/с), что значительно меньше единицы, и влиянием этого эффекта на функцию распределения по временам пребывания Е(t) можно пренебречь.

Диффузия в радиальном направлении является эффектом положительным. Она способствует выравниванию радиальных распределений параметров потока смеси и приближает характеристики реального реактора к реактору идеального вытеснения.

Третьей причиной является существование радиальной неоднородности скорости потока, обусловленной режимом течения реагирующей смеси в пространстве, ограниченным стенками: вдали от стенок скорость потока велика, а в пристеночных слоях из-за трения скорость потока падает до нуля. Радиальный профиль скорости турбулентного потока в цилиндрическом канале хорошо моделируется выражением:

 

,                    (33)

где R – радиус канала реактора; m = 5 для шероховатых стенок, m = 7 для гладких стенок при значениях критерия Рейнольдса 2300 £ Re £ 10⁵ и m = 8 при Re > 10⁵.

Если рассчитать время пребывания t (0) газа в реакторе, пользуясь осевым значением скорости, то есть , то среднее время пребывания газа в реакторе составит [1]:

 

m	5	7	8
τ	1.33 τ (0)	1.22 τ (0)	1.19 τ (0)

 

Для ламинарного режима течения t = 2 t (0), следовательно, необходимо отдать предпочтение сильно турбулентному режиму течения. Эти данные позволяют уточнить объем реактора, рассчитанного на заданное время пребывания в нем реагирующей смеси.