Гомогенные реакторы. 
Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов

Конструктивно гомогенные реакторы выполняются в виде аппаратов с мешалками или трубчатых (проточных) аппаратов. При известных кинетике и механизме реакций выбор типа реактора определяется условиями обеспечения равномерности распределения реагентов в объеме. Наличие градиентов концентрации, температуры приводит к изменению физико-химических свойств реагентов (вязкости, плотности и т. д.) и, как следствие, к искажению профиля скоростей, неравномерному протеканию реакции по объему или сечению реактора. В случае изотермических реакций изменение характеристик реагентов в ходе протекания реакции может привести к неустойчивости системы в целом, т. е. к нарушению установившегося состояния по скоростям теплоподвода и теплоотвода. Характерными вопросами, решаемыми при проектировании этих реакторов, являются оценка гидродинамической структуры потоков и обеспечение необходимого температурного режима реактора.

Гетерогенные реакторы.

Реакторы для проведения двухфазных (газ — жидкость, газ — твердое вещество, жидкость — твердое вещество) и трехфазных (газ — жидкость — твердое вещество) реакций конструктивно отличаются большим многообразием. Это реакторы емкостного типа с перемешивающими и диспергирующими устройствами; трубчатые реакторы полые или с насадкой, с рубашкой и т. д.; колонные реакторы барботажные полые или с насадкой, секционированные, полочные, с кипящим слоем (катализатора) и др.

Исследование реакторов для систем газ — жидкость с целью их расчета и проектирования ведется в следующих направлениях:

изучение механизма и скорости процесса массопередачи, осложненного химической реакцией; моделирование структуры потоков двухфазной системы; оценка влияния продольного перемешивания на эффективность реакторов; определение межфазной поверхности, удерживающей способности, перепада давления.

Важным вопросом является выбор типа реактора. Коэффициенты массоотдачи по жидкой фазе для систем газ — жидкость в различных реакторах приведены ниже:

При расчете реакторов для систем газ — твердое вещество (частицы) основными задачами при моделировании являются: оценка гидродинамической структуры фаз; определение удельной поверхности реакции; оценка изменения состояния твердых частиц в ходе реакции; определение соотношения скоростей процессов теплои массопереноса.

Расчет реакторов с твердым катализатором проводится в несколько этапов. Во-первых, устанавливаются модель пористой структуры зерна катализатора, модель кинетики адсорбции и модель зерна катализатора в целом. Идентификация моделей структуры зерна и адсорбции реагентов проводится вариационными методами по кривым отклика на последовательно планируемые возмущения индикатором. В основе этих методов лежат статистические процедуры проверки гипотез. Объединение нескольких моделей — пористой структуры, кинетической и адсорбционной — позволяет построить модель зерна, по которой на основе конечно-разностных или коллокационных методов вычисляют длительности установления стационарных состояний и их возможное число, определяется характер формирования отдельных стационарных состояний и их устойчивость.

Во-вторых, методами непрерывной параметрической идентификации, основанными на алгоритмах оптимальной фильтрации, строятся гидродинамическая модель, модели теплои массопереноса по последовательно планируемым непрерывным и дискретным наблюдениям. Указанные модели, дополненные моделью зерна, позволяют установить общую модель реактора, а также ее стохастические свойства и свойства параметров. Эта модель испытывается на точность прогнозирования динамических и статических режимов работы реактора. Для этой цели в соответствии со статическими свойствами параметров модели моделируются их случайные реализации и рассчитываются случайные реализации концентрационных и температурных полей в реакторе. Совокупности полученных реализаций позволяют построить гистограммы величин откликов системы, которые характеризуют прогнозирующие свойства модели в интервале изменения технологических параметров процесса. В заключение выполняют расчет конструкционного оформления реакторного узла и оптимальных режимов его эксплуатации.

Итак, при выборе способа реализации реакторного процесса необходимы экспериментальны^ данные как на стадии выявления механизма реакции, так и при непосредственном расчете промышленного реактора. Поэтому математические модели реакторов содержат большое число параметров, определяемых по опытным данным.