6.3 Автотермические режимы.. 67
6.3.1 Простая реакция А1 ® А2 67
6.3.2 Последовательные реакции A1 ® А2 ® A3 68
6.3.3 Каскад реакторов идеального смешения. 69
6.4 Существующие технологии. 72
6.3 Автотермические режимы
Автотермическим называется режим работы реактора осуществляемый без дополнительного отвода или подвода в реактор тепловой энергии, т.е. qV = 0. Пусть имеют место экзотермические реакции.
6.3.1 Простая реакция А1 ® А2
В этом случае можно записать, используя (6.11), (6.4) и (6.6) и
принимая во внимание, что 
,
;
; (6.25)
. (6.26)
Обозначим
, 
, (6.27)
где k -функция температуры (закон Аррениуса (3.17)).
Решение (6.26) можно получить графически как точки пересечения
зависимостей QE и QR от температуры реактора
(6.27). Величина 
соответствует полному
превращению. Возможное взаимное положение кривых QE и QR показано на рисунке 6.2.
Наклон QE зависит от величины теплоемкости реакционной смеси. Точка пересечения с осью абсцисс определяется значением температуры охлаждающего теплоносителя Те. В случае (а) наклон прямой QE настолько крут, что имеет место только одно решение при низкой температуре (точка s1) - скорость реакции мала, случай практического значения не имеет. В случае (b) имеет место три возможных решения s1, s2, s3. При этом s1, s3 - устойчивые, s2 - неустойчивое. В случае (с) из-за высокой начальной температуры реагентов т решение достигается только в одной точке s4.
Аналогичная картина может иметь место в случае простой обратимой реакции, для которой кривая QR имеет нисходящую ветвь при больших Ts из-за увеличения роли обратной реакции.
6.3.2 Последовательные реакции A1 ® А2 ® A3
Если обе последовательные реакции экзотермические, то кривая QR имеет более сложный вид
(рисунок 6.3, пересечение с прямой 2) и при полном превращении 
. Здесь возможно пять стационарных решений
(s2, s4 - неустойчивые, s1, s3, s5 - устойчивые). Наиболее приемлемый для практики режим
определяется из рассмотрения селективности и конверсии. Наиболее вероятно - это
s3.
На рисунке 6.3 прямые 1, 2, 3 соответствуют различным тепловым характеристикам реакционной смеси: 1, 3 - теплофизические свойства (теплоемкость СР) одинаковые, входная температура разная; 1, 2 - входная температура одинаковая, теплофизические свойства разные (СР1 > СР2).
Для обеспечения устойчивой работы реактора в заданном интервале
температур начальная температура поступающих в реактор реагентов (см. рис. 6.3,
прямая 1) может быть изменена на 
(рис.6.3, прямая 3) с
помощью выносного теплообменника - рекуператора (рис.6.4). sр – единственный
устойчивый режим работы реактора; QТ – тепло, подводимое в
теплообменнике-рекуператоре.
6.3.3 Каскад реакторов идеального перемешивания
Каждый реактор здесь является реактором идеального перемешивания, но каскад в целом - есть некоторое приближение к трубчатому реактору (по характеру изменения концентрации реагентов и продуктов в цепочке в целом).
Методология вычисления концентрации здесь основана на рассмотрении отдельного реактора m, для которого входными параметрами являются выходные данные предыдущего реактора m - 1.
Пусть мы имеем цепь реакторов, в которых реализуется реакция первого
порядка 
(Fm = F).
Для реактора m в соответствии с (6.11) можно записать
, 
. (6.28)
Если km = k (Tm = idem), θm = θ (Vm = idem), то
, 
. (6.29)
В случае если закон
действия масс выполняется, то для рассматриваемой реакции первого порядка 
. Общее решение получается в результате
последовательного вычисления (F1)1, (F1)2, (F1)3, и т. д.
. (6.30)
В общем случае уравнения молярного баланса и баланса энтальпии в соответствии с (6.2) и (6.3) можно записать в виде
; (6.31)
. (6.32)
Для схемы (рис.6.5) каждую ступень можно рассматривать как адиабатическую (qmVm = 0). Если полагать, что с помощью теплообменников можно задать любую температуру на входе каждого реактора, то эта схема может быть рассчитана путем последовательного рассмотрения каждого реактора и каждого теплообменника отдельно.
Например, в случае осуществления обратимой экзотермической реакции
(А1 ↔ А2, 
)
необходимо применять каскад реакторов с промежуточным охлаждением и
уменьшающейся температурой в цепочке, как это показано на рисунке 6.5.
Благодаря предварительному подогреву в теплообменнике 1 с температуры
Т0 до Те1 процесс в первом
реакторе осуществляется при температуре Т1. При этом
достигается максимально возможный для выбранного объема первой ступени
показатель превращения 
. При более
высокой температуре первой ступени за счет увеличения скорости обратной реакции
происходит снижение степени превращения. После первой ступени смесь охлаждается
в теплообменнике 1 до Те2 и подается в реактор 2,
где реакция идет при температуре Т2, меньшей, чем Т1,
благодаря чему достигается большая степень превращения 
. Затем в
теплообменнике 2 продукты реакции дополнительно охлаждаются, а затем поступают
в реактор 3, где реакция идет при температуре Т3 и
достигается степень превращения 
. Таким образом, каскад позволяет достигать более высокую
степень превращения при меньших суммарных временах контакта (суммарных
реакционных объемах), чем в случае одной ступени.
6.4 Существующие технологии
Реакторы идеального перемешивания часто на практике применяются для осуществления процессов полимеризации и других жидкофазных процессов с замедленными или низкими скоростями реакции.
Применяются реакторы с механическими побудителями (мешалками), с внутренней и внешней циркуляцией реагентов. Широко используются как одиночные реакторы, так и каскады реакторов.
Характерные особенности реакторов идеального перемешивания иногда делают их незаменимыми при осуществлении некоторых процессов. К таким особенностям относятся:
- возможность достижения времени пребывания более 1 ч;
- возможность реализации автотермического режима (теплообменник выносится);
- широкое распределение времени пребывания (может быть в некоторых случаях преимуществом);
- постоянство температуры и концентрации по объему также могут быть преимуществом в некоторых случаях.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.
