Podstawy technologii chemicznej

Klasyfikacja reaktorów

KLASYFIKACJA REAKTORÓW

KRYTERIA PODZIAŁU

1.

Metoda pracy reaktora

reaktory:
•

okresowe

•

przepływowe

•

półprzepływowe (półokresowe)

2.

Charakter fazowy reagującego układu

reaktory:

•

do procesów homogenicznych

(służące do prowadzenie reakcji w

jednej fazie )

•

do procesów heterogenicznych

(przeznaczone do prowadzenia

przemian w układach wielofazowych)

•

reaktory kontaktowe

(służą do prowadzenia reakcji w fazie gazowej z

udziałem stałego katalizatora)

KLASYFIKACJA REAKTORÓW

KRYTERIA PODZIAŁU

3.

Warunki temperaturowe

reaktory:
•

izotermiczne

•

adiabatyczne

•

politermiczne (warunki nieizotermiczne i nieadiabatyczne)

Jeżeli warunki wymiany ciepła są tak dobre ze temperatura jest praktycznie jednakowa w
całej przestrzeni i równa temperaturze strumienia zasilającego reaktor nazywamy

IZOTERMICZNYM

Jego przeciwieństwem jest reaktor adiabatyczny charakteryzujący się praktycznie

całkowitym brakiem wymiany ciepła z otoczeniem przestrzeni reakcji. Temperatura
mieszaniny reagującej zależy w tym przypadku od:

-efektu cieplnego przemiany

W przypadku umiarkowanej wymiany ciepła z otoczeniem przestrzeni reakcji mamy do
czynienia z reaktorem

NIEIZOTERMICZNYM

KLASYFIKACJA REAKTORÓW

KRYTERIA PODZIAŁU

4.

Własności konstrukcyjne

reaktory:
•

zbiornikowe

•

rurowe

•

wieżowe (kolumnowe)

•

wieżowe (kolumnowe)

•

półkowe

•

fluidyzacyjne

•

specjalne

KLASYFIKACJA REAKTORÓW

KRYTERIA PODZIAŁU

5.

Podział reaktorów uwzględniający ich modele matematyczne (połączenie
sposobu pracy i własności konstrukcyjnych)

reaktory:
•

okresowe

•

przepływowe, rurowe lub wieżowe do reakcji homogenicznych

•

przepływowe zbiornikowe, kaskada reaktorów

•

półprzepływowe

•

kontaktowe, rurowe, wieżowe półkowe

•

kontaktowe, rurowe, wieżowe półkowe

•

fluidyzacyjne

•

barbotażowe, zawiesinowe, trójfazowe, do prowadzenia reakcji w układzie gaz-
ciecz

PODANE KLASYFIKACJE WZAJEMNIE SIĘ UZUPEŁNIAJĄ.
KLASYFIKACJE TE NIE OBEJMUJĄ DUŻEJ GRUPY REAKTORÓW SPECJALNYCH
(dysze, zgniatarki, mieszalniki ślimakowe, piece prażalnicze, elektrolizery)

KRYTERIA DOBORU REAKTORA

KRYTERIA TECHNOLOGICZNE

•

RODZAJ REAKCJI

•

TERMODYNAMIKA

•

KINETYKA

•

RODZAJ PRODUKTU

•

EFEKT CIEPLNY

•

SPOSOBY WYMIANY CIEPŁA

•

WIELKOŚC PRODUKCJI

•

SPOSÓB ZASILANIA I ODBIORU PRODUKTÓW

•

KOSZTY SUROWCÓW

•

KOSZTY SUROWCÓW

•

KOSZTY APARATURY WRAZ Z OPRZYRZĄDOWANIEM

•

MOŻLIWOŚĆ DOSTOSOWANIA APARATURY DO ZMIENNYCH WARUNKÓW
TECHNOLOGICZNYCH

Przy tak dużej liczbie współdziałających czynników nie można oczekiwać prostych i
jednocześnie ogólnych reguł wyboru. Wybór reaktora wiąże się z z zagadnieniem
optymalizacyjnym, a więc z warunkami prowadzenia procesu chemicznego i z

jego szczególnymi własnościami.

Wstępnego wyboru można dokonać na

podstawie ogólnych własności przypisywanych poszczególnym
typom reaktorów.

KRYTERIA DOBORU REAKTORA

KRYTERIA TECHNOLOGICZNE

1.

Reaktory okresowe

•

reakcje homogeniczne w fazie ciekłej

•

reakcje heterogeniczne w fazach ciecz-ciało stałe

•

reakcje o małej szybkości z udziałem oporów dyfuzyjnych

•

produkcja niskotonażowa

•

produkcja różnych produktów w tej samej aparaturze (aparaty uniwersalne)

zalety:

-możliwość doskonałego mieszania

-możliwość doskonałego mieszania
-możliwość dowolnego regulowania czasu procesu

2.

Reaktory rurowe

•

reakcje homogeniczne w fazie gazowej lub ciekłej

•

reakcje o dużej szybkości

•

reakcje kontaktowe (pęki rur wypełnionych katalizatorem;reaktor ma postać wieży)

•

wysokie temperatury i ciśnienia

•

produkcja wielkotonażowa

zalety:

-dobre warunki wymiany ciepła
-możliwość znacznej mechanizacji i automatyzacji procesu

KRYTERIA DOBORU REAKTORA

KRYTERIA TECHNOLOGICZNE

3.

Reaktory wieżowe

•

reakcje kontaktowe ze stałą warstwą katalizatora (katalizator na półkach lub wypełnia całą objętość
wieży) ;w warunkach wysokich temperatur i ciśnień (na ogół)

•

produkcja wielkoprzemysłowa

zalety:
-łatwa wymiana katalizatora

-łatwa wymiana katalizatora

4.

Reaktor zbiornikowy i kaskada reaktorów

•

reakcje w fazie ciekłej

•

niskie ciśnienia i temperatury

•

kaskada reaktorów – reakcje o małej szybkości, dla których wymagany jest długi czas przebywania

KRYTERIA DOBORU REAKTORA

KRYTERIA TECHNOLOGICZNE

5.

Reaktory półprzepływowe

•

reakcje w fazie ciekłej lub w układzie ciecz-gaz

•

reakcje silnie egzotermiczne

•

reakcje, w wyniku których powstaje wiele produktów, a tylko jeden jest pożądany oraz gdy jeden z
produktów może być łatwo odbierany (np. przez odparowanie)

6.

Reaktory fluidyzacyjne

•

reakcje heterogeniczne w układach ciało stałe-gaz lub ciało stałe-ciecz

•

reakcje w układach trójfazowych ciało stałe-ciecz-gaz

•

reakcje kontaktowe, gdy kontakt musi być często regenerowany

•

produkcja wielkoprzemysłowa

•

dowolna temperatura

•

ciśnienie ok. 10

5

Pa

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY OKRESOWE

Budowa:

Różnego rodzaju zbiorniki i autoklawy, zaopatrzone w
mieszadła i często w wymienniki ciepła.

Zasada działania:

Wprowadzenie substratów i usunięcie produktów reakcji.

Cecha charakterystyczna:

Praca w warunkach nieustalonych;wszystkie parametry
mieszaniny reakcyjnej (zwłaszcza temperatura, stężenie i
stopień przemiany) są funkcją czasu:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (t)

Zastosowanie:

Reakcje zwykłe i katalizowane, środowisko ciekłe, reakcje typu
ciecz-ciało stałe.

Rys. 1 Autoklaw do nitrowania węglowodorów

aromatycznych.

1-napęd mieszania, 2-pokrywa, 3-korpus,

4-mieszadła, 5-płaszcz grzejny,

6-wężownica do grzania lub chłodzenia,

7-otwór załadowczy, 8-wziernik, 9-osłona termometru

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PRZEPŁYWOWE

Zasada działania:

Do rektora ciągłym strumieniem dopływają substraty i
odpływa mieszanina reakcyjna.

Cecha charakterystyczna:

Praca w warunkach ustalonych;wszystkie parametry
mieszaniny reakcyjnej (zwłaszcza temperatura, stężenie i
stopień przemiany) są funkcją miejsca, a nie czasu:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (miejsca)

Natężenia masowe strumienia wpływającego i
wypływającego muszą być równe.

Zastosowanie:

Duża produkcja, zwłaszcza gdy reakcja zachodzi szybko.

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PRZEPŁYWOWE

RUROWE

Cecha charakterystyczna:

Duży stosunek długości do średnicy.

Funkcja miejsca sprowadza się do funkcji współrzędnej
położenia mierzonej w kierunku przepływu:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (l)

Zastosowanie:

Reakcje przebiegające w fazie gazowej i ciekłej, w
procesach zwykłych i katalizowanych.

Rys. 2. Reaktor rurowy do chlorowania pentanu.

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PRZEPŁYWOWE

WIEŻOWE

Cecha charakterystyczna:

Mniejszy stosunek długości do średnicy
(niż rurowe);mają kształt wysokich kolumn

W przypadku reakcji homogenicznych funkcja miejsca sprowadza
się do funkcji współrzędnej położenia mierzonej w kierunku
przepływu:

przepływu:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (l)

Zastosowanie:

Reakcje kontaktowe ze stałą warstwą katalizatora (katalizator na
półkach lub wypełnia całą objętość wieży);

Szczególnym typem są absorbery używane do reakcji między
gazem a cieczą.

Rzadziej stosuje się je do reakcji biegnących w środowisku ciekłym
(np. reaktory do syntezy mocznika)

Rys. 3. Reaktor przepływowy wieżowy

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PRZEPŁYWOWE

ZBIORNIKOWE

Cecha charakterystyczna:

Zbiornik o stosunku długości do średnicy bliskim jedności,
zaopatrzony w mieszadło. Reagenty wprowadzane i
wyprowadzane wąskim strumieniem.

Wskutek mieszania w całym zbiorniku utrzymuje się stała
temperatura, ciśnienie i skład:

temperatura, ciśnienie i skład:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

const

Zastosowanie:

Reakcje w fazie ciekłej pod niskim i średnim ciśnieniem, często
w układzie kaskadowym.

Nie maja zastosowania w prowadzeniu reakcji w fazie gazowej
(trudność w mieszaniu, niska wydajność)

Rys. 4. Reaktor przepływowy zbiornikowy

1-doprowadzenie reagentów,

2-odprowadzenie produktów,

3-płaszcz grzejny/chłodzący

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PRZEPŁYWOWE

ZBIORNIKOWE

Rys. 5. Reaktor kaskadowy wielosekcyjny.

1-zbiornik, 2-doprowadzenie substratów, 3-mieszadła, 4-odprowadzenie produktów ciekłych, 5-odprowadzenie produktów

gazowych

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY PÓŁPRZEPŁYWOWE

Zasada działania:

Pracują metodą kombinowaną w stosunku do metody
okresowej i ciągłej.Do reaktora wprowadza się od razu tylko
niektóre substraty, a pozostałe doprowadza stopniowo ciągłym
strumieniem. W innym przypadku w sposób ciągły odbiera się
produkt reakcji (np. przez odparowanie ciepłem reakcji)

Cecha charakterystyczna:

Praca w warunkach nieustalonych; tzn.:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (t)

Zastosowanie:

Reakcje przebiegające w fazie ciekłej i wielofazowe np. typu
ciecz-gaz

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY KONTAKTOWE

(z nieruchomą warstwą kontaktu)

Zasada działania:

Usytuowane w pozycji pionowej, typu rurowego lub wieżowego.

Reaktory wieżowe

Zawierają półki rusztowe, na których rozłożony jest katalizator (w postaci granulek,
pastylek, walców, kul, siatek-kat. metaliczny)

Reaktory rurowe

Reaktory rurowe

Zbudowane z jednej rury lub pęku rur o mniejszych średnicach, wypełnionych
ziarnami katalizatora.

Cecha charakterystyczna:

Rozkład parametrów mieszaniny reakcyjnej jest funkcją współrzędnej długości i
współrzędnej szerokości reaktora:
T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (l,x)

Zastosowanie:

Reakcje przebiegające w fazie gazowej, rzadziej ciekłej.

OPIS PRZYKŁADOWYCH REAKTORÓW

REAKTORY FLUIDYZACYJNE

Zasada działania:

Reaktory przepływowe wieżowe pracujące ze złożem
ziarnistym utrzymywanym w stanie fluidalnym przez przepływ
fazy ciekłej.

Cecha charakterystyczna:

Stan fluidalny charakteryzuje się dobrą wymiana ciepła; stała

Stan fluidalny charakteryzuje się dobrą wymiana ciepła; stała
temperatura w całej warstwie
T=const

Stężenie i stopień przemiany wyrównują się dobrze tylko w
przekroju poprzecznym, natomiast ich wartości w kierunku osi
są zróżnicowane.

Zaleta:

Możliwość ciągłej i łatwej wymiany kontaktu

Rys. 6. Wielopółkowy reaktor fluidyzacyjny do

kalcynacji węglanu wapnia.

1-płaszcz reaktora, 2-perforowane półki, 3-rury
przelewowe, 4-doprowadzanie ciała stałego, 5-

odprowadzanie produktu stałego, 6-doprowadzanie

gazu, 7-doprowadzanie paliwa ciekłego, 8-

odprowadzanie gazów

Projektowanie reaktorów

Ilość A

doprowadzana do

reaktora

ilość A

nagromadzona w

reaktorze

Akumulacja

-

=

Bilans materiałowy (równanie projektowe)

[ilość A odprowadzana + ilość A

zużyta w przemianie]

Przychód

[Entalpia strumienia wylotowego +

Ciepło wymienione przez ścianki

reaktora]

Rozchód

Akumulacja

Bilans cieplny

[Entalpia strumienia

wlotowego + ciepło

wydzielone w

przemianie]

Przychód

Rozchód

Ciepło

nagromadzone w

reaktorze

Akumulacja

-

=

Modele przepływu

Reaktory w rzeczywistości pracują w bardzo

złożonych warunkach - celowe rozpatrywanie
przypadków uproszczonych

Dla reaktorów przepływowych założenia

Dla reaktorów przepływowych założenia

upraszczające wiążą się z modelem przepływu płynu
(strumienia reagentów)

Zasadnicze modele przepływu:

kompletne wymieszanie płynu

przepływ tłokowy

Rodzaj reaktora

zastosowanie

Rurowy

•Reakcje homogeniczne w fazie gazowej i ciekłej w
procesach zwykłych i katalizowanych i o dużej szybkości.

•Reakcje kontaktowe.

•Procesy biegnące pod wysokim ciśnieniem i w wysokich
temperaturach.

Zbiornikowy

•Reakcje w fazie ciekłej pod niskim i średnim ciśnieniem
(często w układzie kaskadowym) przy niewysokich temp.

•Nie nadają się do prowadzenia reakcji w fazie gazowej i
pod wysokim ciśnieniem.

•Procesy izotermiczne

Kontaktowy

•Faza gazowa (rzadko ciekła)

Kontaktowy

•Faza gazowa (rzadko ciekła)

Fluidyzacyjny

•Heterogeniczne reakcje ciało stałe- gaz;
W przemyśle w procesach spalania, utleniania rud oraz
wielu proc. kontaktowych.

Wieżowy

•Procesy kontaktowe z fazą gazową i z nieruchomą
warstwą kontaktu, przeważnie w zakresie wysokich temp.
I niskich ciśnień.

•Reakcje w układzie gaz- ciecz
Np. utlenianie SO

2

do SO

3

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

POJĘCIE REAKTORA IDEALNEGO

Pojęcie reaktora idealnego wiąże się z przyjęciem założeń upraszczających (dotyczących funkcji
parametrów T,c

i

,

α

A

oraz własności przepływu strumienia reagentów).

•

Idealny reaktor okresowy:
Jego pracę opisuje zależność: T,c

i

,

α

α

α

α

A

=

ƒ (t), słuszna tylko w warunkach idealnego mieszania (brak

martwych przestrzeni w reaktorze).
Warunki zbliżone do idealnych występują wówczas, gdy mieszanina reagująca jest jednofazowa.

•

Idealny reaktor przepływowy:
Założenia upraszczające wiążą się z modelem przepływu strumienia reagentów.
Rozróżnia się dwa typy reaktorów:

1.

IDEALNY REAKTOR ZBIORNIKOWY

1.

IDEALNY REAKTOR ZBIORNIKOWY

Idealne mieszanie, brak gradientów temperatury i stężenia w reagującej masie. Parametry T,c

i

,

α

α

α

α

A

zachowują w całej masie reagującej wartości stałe równe wartościom mierzonym na wyjściu.
Rzeczywisty czas przebywania cząsteczek jest wielkością zmienną rozkładającą się według określonej
funkcji statystycznej.

2.

IDEALNY REAKTOR RUROWY LUB WIEŻOWY

Charakteryzuje się przepływem tłokowym. Nie występuje mieszanie w kierunku osi, zachodzi pełne
mieszanie w kierunku promienia. Nie występują gradienty temperatury i stężenia w przekrojach
poprzecznych. Przyjmuje się również brak wymiany ciepła i masy w kierunku osi. Bardzo istotną
własnością jest stała wartość rzeczywistego czasu przebywania wszystkich cząsteczek reagentów.

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY Z DOSKONAŁYM MIESZANIEM

Zakładamy, że w zbiorniku zachodzi reakcja chemiczna S

→P (z substratu powstaje produkt), nieodwracalna

(szybkość opisuje równanie kinetyczne pierwszego rzędu).
RÓWNANIE SZYBKOŚCI REAKCJI:

r=k·c

s

[mol·dm

-3

·s

-1

]

k-stała szybkości reakcji,

r-szybkość ubywania substratu i tworzenie produktu,
c

s

-stężenie molowe substratu

BILANS SKŁADNIKA S:

BILANS SKŁADNIKA S:

W rozwiązaniach konstrukcyjnych

umożliwiających akumulację składnika S.

Rys. 7. Reaktor zbiornikowy przepływowy z mieszaniem

dt

Vc

d

V

c

k

c

q

c

q

s

s

s

so

o

)

(

=

⋅

⋅

−

⋅

−

⋅

[mol·s

-1

]

Strumień

składnika

dopływającego do

zbiornika

Strumień

składnika

odpływającego ze

zbiornika

Strumień

składnika

zanikającego w

rekcji

Akumulacja

składnika S w

zbiorniku

q

0

-objętość strumienia cieczy

dopływającej
c

s0

-stężenie zasilania

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY Z DOSKONAŁYM MIESZANIEM

BILANS SKŁADNIKA S:

W rozwiązaniach konstrukcyjnych

gdzie nie występuje akumulacja składnika S.

r

c

q

c

q

V

s

so

o

⋅

−

⋅

=

Jeżeli strumień na wlocie i na wylocie ze zbiornika jest taki sam, to
bilans składnika S ma postać:

Rys. 7. Reaktor zbiornikowy przepływowy z mieszaniem

q

0

-objętość strumienia cieczy

dopływającej
q- objętość strumienia cieczy
odpływającej
c

s0

-stężenie zasilania

V- objętość cieczy wewnątrz zbiornika

bilans składnika S ma postać:

r

c

c

q

V

s

so

−

=

Stopień przereagowania(wielkość określająca, w jakim stopniu zaszła
przemiana substratu S)
ma postać:

so

s

so

c

c

c

−

=

α

(3)

(4)

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY Z DOSKONAŁYM MIESZANIEM

BILANS SKŁADNIKA S:

W rozwiązaniach konstrukcyjnych
gdzie nie występuje akumulacja składnika S.

Stosunek objętości zbiornika i strumienia objętości (lewa
strona równania 3) jest wielkością o wymiarze czasu
(umowny czas przebywania płynu w zbiorniku);
Jeżeli w równaniu 3 uwzględnimy równanie 4, otrzymamy
równanie opisujące model nieizotermicznego reaktora
przepływowego z mieszaniem:

c

V

α

τ

=

=

Rys. 7. Reaktor zbiornikowy przepływowy z mieszaniem

Jest to związek czasu względnego przebywania mieszaniny
reagujacej w zbiorniku ze stężeniem substratu w strumieniu
zasilającym, szybkością reakcji chemicznej i stopniem
przereagowania.
Obowiązuje on w warunkach ustalonej pracy. Szybkość reakcji
chemicznej jest stała i równa szybkości reakcji w strumieniu
opuszczającym reaktor.

Zbiornik, w którym mieszanie strumienia zasilającego z zawartością zbiornika jest natychmiastowe, a
wymieszanie doskonałe, stanowi model reaktora zbiornikowego przelewowego.W modelu tym zakłada się
doskonałe wymieszanie reagentów w każdym punkcie zbiornika o objętości V. Stężenie w strumieniu
opuszczającym reaktor jest takie samo jak wewnątrz reaktora. Temperatura mieszaniny reagującej jest również
wyrównana w całej objętości reaktora.

r

c

q

V

so

α

τ

=

=

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY Z DOSKONAŁYM MIESZANIEM

Bilans energii (entalpii):

Równanie bilansu energii płynu w reaktorze można sprowadzić do równania bilansu
entalpii.

•

Zawiera ono następujące człony:

•

strumień dopływający do układu na drodze konwekcji i przewodzenia,

•

strumień odprowadzany z układu na drodze konwekcji i przewodzenia,

•

strumień wydzielany (pochłaniany) w reakcji chemicznej,

•

strumień odprowadzany (doprowadzany) z układu do wymiennika ciepła.

•

strumień odprowadzany (doprowadzany) z układu do wymiennika ciepła.

dt

H

V

d

T

T

F

V

H

H

q

H

q

s

r

r

o

o

o

)

(

)

(

)

(

⋅

⋅

=

−

⋅

⋅

−

⋅

∆

−

+

⋅

⋅

−

⋅

⋅

ς

α

ς

ς

H – entalpia mieszaniny reagującej [J·g

-1

]

ρ– gęstość [g·dm

-3

]

∆

∆

∆

∆H

r

– entalpia reakcji chemicznej [J·mol

-1

]

F– powierzchnia wymiany ciepła w wymienniku [m

2

]

α

α

α

α– współczynnik wnikania ciepła od płynu do ścianki [J·m

-2

·s

-1

·K

-1

]

T– temperatura płynu w reaktorze [K ]
T

s

– temperatura ścianki wymiennika [K]

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY Z DOSKONAŁYM MIESZANIEM

Bilans energii (przy temperaturze jako zmiennej):

Równanie bilansu energii płynu w reaktorze można zapisać w zależności od temperatury

jako zmiennej.

Założenie:
•

stała wartość strumienia objętościowego q

•

Stała wartość gęstości

ρ

•

Stała wartość objętości roboczej reaktora V

•

Średnia wartość ciepła właściwego c

•

Średnia wartość ciepła właściwego c

p

•

Entalpia jest iloczynem c

p

·T

dt

dT

c

V

T

T

F

V

H

T

T

c

q

p

s

r

r

o

p

⋅

⋅

⋅

=

−

⋅

⋅

−

⋅

∆

−

+

−

⋅

⋅

⋅

ς

α

ς

)

(

)

(

)

(

T

o

– temperatura strumienia zasilającego [K]

W warunkach doskonałego mieszania temperatura jest wyrównana w całej objętości
reaktora i prawa strona równania zeruje się.

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY TŁOKOWY

W układzie tym występują przestrzenne gradienty właściwości (stężenia
i temperatury). Opis opiera się na równaniach różniczkowych o
pochodnych cząstkowych względem czasu i współrzędnych
przestrzennych.Konsekwencja tego jest konieczność zapisania równań
bilansowych dla elementu objętości dV.

Bilans składnika S:
Płyn porusza się w sposób zbliżony do ruchu tłoka w cylindrze. W
kierunku prostopadłym do osi rury właściwości płynu są jednakowe. W
kierunku osi występuje gradient stężenia powodowany zachodzącą
reakcja chemiczną.

Rys. 8. Reaktor rurowy

Równanie odnosić się będzie do elementu objętości dV wyznaczanego
przekrojem poprzecznym rury F oraz punktami z oraz z+dz.
Założenie:stała wartość strumienia objętościowego q.

t

dV

c

rdV

z

z

qc

qc

qc

s

s

s

s

δ

δ

δ

δ

δ

)

(

)

(

=

−













+

−

Strumień składnika

dopływającego do

elementu dV

[mol·s

-1

]

Strumień składnika

odpływającego z

elementu dV

[mol·s

-1

]

Strumień składnika

zanikającego w

reakcji, w elemencie

dV

[mol·s

-1

]

Szybkość akumulacji

składnika S w

objętości dV

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY TŁOKOWY

Bilans składnika S:
Jeżeli przekrój rury F jest stały, to liniowa prędkość przepływu w też
będzie stała. Po przekształceniu otrzymuje się:

t

c

r

z

c

w

s

s

δ

δ

δ

δ

−

=

+

W warunkach pracy ustalonej znika człon opisujący zmienność w czasie i
otrzymuje się:

Rys. 8. Reaktor rurowy

otrzymuje się:

r

dz

dc

w

s

−

=

Ponieważ wF=q i Fdz=dV, więc:

r

dc

q

dV

s

−

=

Całkując to równanie, otrzymuje się:

MODELE REKTORÓW IDEALNYCH

REAKTOR PRZEPŁYWOWY TŁOKOWY

Bilans składnika S:

∫

∫

=

−

=

=

k

sk

r

d

c

r

dc

q

V

so

c

c

s

α

α

τ

0

Rys. 8. Reaktor rurowy

∫

∫

so

r

r

q

c

0

Jest to podstawowe równanie reaktora z przepływem tłokowym. Podaje ono
związek pomiędzy stopniem przereagowania i umownym czasem przebywania
reagentów w reaktorze