74. Неизотермический процесс в химическом реакторе. Температурный режим в проточном реакторе идеального смешения. Процесс с теплоотводом.

Математическая модель процесса:

(1)

x/τ = r (x, T)

(T – T_H) / τ = ∆ T_ад r (x, T) – B(T-T_x)

В- параметр теплоотвода; ∆ T_ад-адиабатический разогрев; х- степень превращения; T_H- температура на входе в реактор; T_x- температура теплоносителя; τ- условное время реакции. При протекании реакции первого порядка приведем систему (1) к следующему виду:

Т-Т₀ (q_Т) = * (q_р)

(2)

k(T)- константа скорости реакции как функция температуры; q_Т- теплоотвод; q_р- тепловыделение в результате протекания реакции. Для принципиального упрощения анализа примем в (1) Т_х = Т_Н. Из (2) следует, что наличие теплоотвода эквивалентно уменьшению величины адиабатического разогрева ∆ T_ад , т.е. максимальный разогрев реактора будет меньше адиабатического и равен . на рисунке сплошными линиями показаны зависимости q_р (Т) и q_Т(Т) в адиабатическом режиме (В=0), а штриховыми – в режиме с теплоотводом (В= 0). В последнем случае S- образная кривая q_р (Т) более пологая. На рисунке значения параметра теплоотвода В (штриховые линии) растут по направлению стрелки.

Из рисунка видно, что при некотором значении В станет возможной реализация только одного стационарного режима. Наличие теплоотвода к внешнему теплоносителю в проточном реакторе идеального смешения позволит реализовать стационарный режим процесса в нем практически для любой степени превращения. Неоднозначность и неустойчивость стационарных режимов проявляется при масштабном переходе от лабораторных исследований к промышленному реактору.

Вследствие больших тепловых потерь, вызванных малым масштабом лабораторного реактора, температуру поддерживают искусственно, при этом практически любой режим является устойчивым. Однако, в промышленном реакторе режим, подобранный по лабораторным испытаниям, по этой причине может быть не реализуем.

75. Неизотермический процесс в химическом реакторе. Сопоставление адиабатического процесса в проточных режимах идеального смешения и вытеснения.

Сопоставим адиабатические процессы в режимах идеального смешения и вытеснения.

Предположим, что в режиме ИС-н реализуются все возможные степени превращения и сопоставим интенсивности процессов по зависимостям « x – τ », полученных при одинаковых параметрах и условиях.

Зависимости x(τ) (a) и T(τ) (б) в проточных реакторах идеального вытеснения ИВ (сплошные линии) и смешения ИС-н (штриховые линии) в экзотермическом процессе приведены на рисунке.

В режиме идеального смешения процесс протекает при конечных (температура и концентрация) условиях, а в режиме идеального вытеснения условия протекания процесса в ходе превращения меняются от начальных до конечных.

Следовательно, по сравнению с режимом идеального смешения в режиме идеального вытеснения средняя концентрация исходных веществ больше, а средняя температура меньше. Температурное влияние на скорость превращения – положительное и более сильное, чем отрицательное влияние концентрации.

Таким образом, режим идеального смешения более интенсивен, чем режим идеального вытеснения.

Для достижения одинаковой степени превращения необходимое условие время τ для протекания реакции в реакторе, работающем в режиме ИС, меньше.

Лишь при достаточно больших степенях превращения, когда влияние концентрационного фактора будет превалирующим, интенсивность процесса в режиме ИС падает и даже уступает режиму ИВ.

Это отражено на рисунке: при малых значениях τ превращение, совершающееся в режиме ИС (штриховые линии), больше, чем в режиме Ив, при больших τ (вблизи полного превращения) интенсивнее режим ИВ.

Эндотермический процесс сопровождается охлаждением реакционной смеси.

Средняя температура в режиме ИВ выше, чем при ИС, и поэтому адиабатический эндотермический процесс всегда протекает интенсивнее в режиме ИВ.