ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Математическое моделирование как метод исследования химических процессов и реакторов из "Общая химическая технология и основы промышленной экологии" Химический реактор - устройство, аппарат для проведения химических превращений (химических реакций). [c.25] На практике, исходя из назначения или даже внешнего вида, используют много различных названий химических реакторов -реактор, колонна, башня, автоклав, камера, печь, контактный аппарат, полимеризатор, дожигатель, гидрогенизатор, окислитель и другие. Общие схемы некоторых из них приведены на рис. 2.1. [c.25] Реактор 1 - емкостной. Реагенты (чаще жидкость, суспензия) загружают в начале рабочего цикла. Мешалка обеспечивает перемешивание реагентов. Температурный режим поддерживается с помощью теплоносителя, циркулирующего в рубашке или во встроенном теплообменнике. После проведения реакции продукты выгружают, и после очистки реактора цикл повторяется. Процесс периодический. [c.25] Реактор 2 - емкостной, проточный. Реагенты (чаще газ, жидкость, суспензия) непрерывно проходят через реактор. Газ бар-ботирует через жидкость. [c.25] Реактор 3 - колонный. Характерное для промышленных колонных реакторов отношение высоты к диаметру составляет 4-6 (в емкостных реакторах это отношение около 1). Взаимодействие газа и жидкости подобно таковому в реакторе 2. [c.25] Реактор 4 - насадочный. Взаимодействуют газ и жидкость. Объем реактора заполнен кольцами Рашига или другими небольшими элементами - насадкой. Жидкость стекает по насадке. Газ движется между элементами насадки. [c.25] Реакторы 5-8 используют в основном для взаимодействия газа с твердым реагентом. [c.25] В реакторе 5 твердый реагент неподвижен, газообразный (или жидкий) реагент непрерывно проходит через реактор. Процесс периодический по твердому веществу. [c.25] Реакторы 5, 9 используют также для проведения процессов на твердом катализаторе. [c.26] Реактор 9 - трубчатый. По виду он подобен кожухотрубному теплообменнику. Через трубки, в которых протекает реакция, проходят газообразные или жидкие реагенты. Обычно в трубки загружен катализатор. Температурный режим обеспечивается циркуляцией в межтрубном пространстве теплоносителя. [c.26] Реактор 12 - многослойный для газожидкостных процессов. [c.27] В промышленности типов реакторов (даже по общему виду) еще больше. Чтобы иметь возможность исследовать все разнообразие реакторов, проведем систематизацию конструкций реакторов и процессов, протекающих в них. На рис. 2.2 представлен реактор, аналогичный 11-му на рис. 2.1. Выделим структурные элементы, характерные для всех реакторов. В реактор засыпано несколько слоев катализатора, где протекает химическая реакция. Это - реакционная зона I, имеющаяся во всех реакторах. Исходная реакционная смесь подается через верхний штуцер. Чтобы обеспечить однородное прохождение газа через реакционную зону, установлен распределитель потока. Это -устройство ввода 2. В реакторе 2 на рис. 2.1 распределителем газа является барботер. К смесителям предъявляются особые требования обеспечить однородный контакт реагентов. Между первым (сверху) и вторым слоями на рис. 2.2 в с м е с и -теле 3 смешиваются два потока - после первого слоя и добавляемый холодный газ, а после второго слоя помещен теплообменник 4. Продукты выводятся через выходное устройство 5. Возможны устройства разделения потоков. [c.27] В устройствах ввода, вывода, смешения, разделения, распределения потоков и в теплообменниках протекают физические процессы. Поэтому дальнейшим объектом исследования будут в основном реакционные зоны, где протекают химические процессы. Процесс, происходящий в реакционной зоне, состоит из многих частных процессов, которые схематически показаны на рис. 2.3 для двух процессов - каталитического и газожидкостного. [c.27] На рис. 2.3, а представлен неподвижный слой катализатора и вьщелены протекающие в нем процессы - составляющие общего процесса. Общий (конвективный) поток реагентов / проходит между зернами катализатора. Из потока реагенты диффундируют к поверхности зерен (2) и в поры катализатора (У), на внутренней поверхности которых протекает реакция (4). Продукты обратным путем отводятся в поток. Выделяющееся тепло переносится по слою (5) и затем от слоя через стенку - к хладагенту (6). Возникающие вследствие протекания реакции фздиенты концентрации и температуры вызывают потоки вещества и тепла (7), дополнительные к основному конвективному движению реагентов. [c.28] На рис. 2.3, б представлен процесс в слое жидкости, через который барботирует газ. Последний проходит в виде пузырей (/). Между газом и жидкостью имеет место массоперенос (2). Жидкость не неподвижна - можно выделить ее движение около пузыря (У) и циркуляцию в масштабе слоя (4). Первое подобно турбулентной диффузии выравнивает градиенты концентраций, вторая аналогична циркуляционному конвективному движению жидкости через реакционную зону. [c.28] Только два примера показывают сложную структуру процессов, протекающих в реакционной зоне. Если учесть множество схем и конструкций реакторов, то многообразие процессов в них многократно возрастает. Необходим научный метод, позволяющий систематизировать это многообразие, найти общность в нем, выработать систему представлений о закономерностях явлений в этом многообразии и связей между ними, т. е. создать теорию химических процессов и реакторов. Такой научный метод рассмотрен далее. [c.28] Моделирование - метод исследования объекта (явления, процесса, устройства) на модели - давно используется в различных областях науки и техники. Суть его состоит в том, что исследование самого объекта заменяют исследованием его модели. Полученные свойства модели переносят на свойства моделируемого объекта. [c.29] Модель - специально созданный объект любой природы, более простой по сравнению с исследуемым по всем свойствам, кроме тех, которые надо изучить, и способный заменить исследуемый объект так, чтобы можно было получить новую информацию о нем. [c.29] Известный пример моделирования обтекание самолета, летящего в воздухе, исследуют обтеканием его модели в аэродинамической трубе. В данном случае модель самолета - его геометрически подобная уменьшенная копия. Моделируется (исследуется) только обтекание корпуса самолета потоком воздуха и не исследуются другие свойства самолета, например удобство и безопасность пассажира в кресле. Для этого надо построить другую модель - отдельное кресло с манекеном на устройстве, воспроизводящем возможные его положения в полете. Как видим, модель учитывает какие-то явления (обтекание корпуса самолета потоком воздуха в одном случае или расположение человека в кресле в другом случае при моделировании разных процессов в самолете) и параметры процессов (конфигурация крыльев и корпуса или конфигурация кресла). Учитываемые в модели явления назовем составляющими модели. [c.29] Некоторые комментарии к определению модели. Ее специально создают, чтобы исследовать какие-либо конкретные свойства. Для изучения разных свойств объекта может быть создано несколько его моделей, каждая из которых отвечает определенной цели исследования. Можно говорить о единстве цель -модель . Если модель отражает большее (или меньшее) число свойств, то она называется более широкой (или более узкой). Используемое иногда понятие общая модель как модель, отражающая все свойства объекта, - бессмысленно по сути. [c.29] Вернуться к основной статье