В диффузионной модели существует некий промежуточный гидродинамический режим между идеальным вытеснением и смешением.
Диффузионная модель проточного реактора учитывает перемешивание реакционной среды в осевом направлении, вызванными различными видами диффузии. Общее уравнение потока веществ для однопараметрических моделей химических реакторов можно записать с помощью уравнения:
Или (1),
где UL – линейная скорость потока в направлении оси реактора; DL – коэффициент продольной диффузии.
Первый член уравнения (1) ответственный за осевое перемещение, интенсивность которого определяется коэффициентом DL. Второй член уравнения характеризует конвективный перенос i-ого вещества со скоростью UL.
В предельных случаях уравнение может быть использовано для описания РИВ и РИС-Н.
Если первый член = 0, , то
и получаем РИВ.
Если , т. е. имеет место равномерное распределение по объему, то
Следует отметить, что расчет РИС-Н по уравнению затруднен, т. к. в РИС Ci(l) является разрывной функцией (на входе в реактор происходит скачкообразные изменения от Ci,0 до входной концентрации Ci).
Степень приближения реальной гидродинамической обстановки к одной из реальных зависит от соотношения величин конвективной и диффузионных составляющих уравнения динамики.
Используя методы теории подобия, являющихся мерой относительной эффективности –х физических процессов: конвективного переноса в направлении оси реактора и диффузионного перемешивания:
B0 – критерий Боденштейна или диффузионный критерий Пекле.
Если B0 – большое значение, то конвективный перенос >> диффузионного перемешивания, а это возможно при больших значениях длины и линейной скорости, либо при низких значениях DL.
Если B0=∞ - получаем РИВ.
Если B0 – малое значение, что возможно при малых l или U, либо при больших DL, то преобладает диффузионное перемешивание.
Если B0=0 - получаем РИС-Н.
Значение критерия Боденштейна коррелирует с типом диффузионной модели м находится также экспериментальным путем.
Расчеты на основе диффузионной модели существенно сложнее, чем на основе ячеечной.
Аналитическое решение уравнения диффузионной модели возможно лишь для стационарного реактора при проведении в нем реакции 1-ого порядка, скорость которой является линейной функцией от концентрации:
Экспериментальное определение параметров ячеечной и диффузионной модели
Интегральная функция распределения I(τ).
τ0 |
τ |
I(τ) |
S0 |
Свойства интегральной функции распределения:
, -объемная доля потока, находящегося в реакторе в течении времени меньше τ1. - объемная доля потока, находящегося в реакторе в течении времени больше τ1. I(0)=0
Дифференциальная функция распределения E(τ).
E(τ)
τ2 |
τ |
E(τ) |
S’ |
S2 |
Свойства дифференциальной функции распределения:
Получение информации о функциях распределения времени пребывания:
Для получения информации о функции распределения используют метод трассеров или индикаторов. Суть метода: подача на вход реактора специальных веществ, которые можно легко определить на выходе из реактора; при этом трассер должен изменить гидродинамический режим в реакторе. В качестве трассеров можно использовать красители, фосфорицирующие вещества, кислоты и щелочи, радиоактивные изотопы и др.
Для получения требуемой функции распределения используют различные способы ввода трассера.
Функция распределения времени пребывания идеальных проточных реакторов.
РИС-Н
τ |
I(τ) |
τ |
E(τ) |
РИВ
τ |
τ |
I(τ) |
При τ < , I(τ)=0
При τ > , I(τ)=1
Дифференциальная функция распределения - особая функция, т. к. является
функция Дирака
∞ |
τ |
E(τ) |
Функция приближающая по свойствам к δ-функции:
τ |
I(τ) |
τ = , E(τ)=∞
< , E(τ)=∞
> , E(τ)=0
Функция распределения для реальных реакторах
Ячеечная модель
Интегральная функция распределения I(τ) для ячеечной модели имеет следующий вид:
m – число ячеек
Интегральная функция распределения времени пребывания для ячеечной модели при различных значениях N.
N=1 |
N=20 |
τ |
0,5 |
I(τ) |
N=5 |
∞ |
Дифференциальная функция распределения E(τ) для ячеечной модели имеет вид:
τ |
0,5 |
E(τ) |
1) N=1
2) N=2
3) N=6
4) N=∞
Диффузионная модель
Дифференциальная функция распределения времени пребывания для диффузионной модели при различных значений параметра
τ |
0,5 |
E(τ) |
4) B0=17,8; 5) B0 →∞