Влияние степени конверсии.

Большое влияние на удельную производительность реакторов оказывает степень конверсии. Так, для простой необратимой реакции с кинетическим уравнением при проведении ее в аппарате идеального смешения при имеем . Следовательно, с повышением степени конверсии удельная производительность падает тем более резко, чем выше суммарный порядок (рисунок, кривые 2 и 3), причем при производительность стремится к нулю. Для реакторов идеального вытеснения ее снижение с конверсией выражено не так сильно (см. рисунок, кривые 1 и 2), вследствие чего эти реакторы предпочтительны для процессов, где особенно желательна высокая степень конверсии сырья.

Рисунок. Зависимость удельной производительности от степени конверсии для реакций первого (2) и второго (3) порядков в РИС; для реакций первого (1) и второго (2) в РИВ; для обратимой реакции (4); для реакций, тормозимых образующимися продуктами (5).

В случае обратимых реакций (кривая 4) удельная производительность стремится к нулю, когда степень конверсии приближается к равновесной, а движущая сила обратимой реакции – к нулю. Для реакций, которые тормозятся образующимися продуктами, удельная производительность падает с повышением степени конверсии особенно сильно (кривая 5) (кинетическое уравнение ).

Таким образом, для реакций, характеризующихся суммарным порядком удельная производительность существенно зависит от степени конверсии, падая до нуля при Х_А=1 для необратимых реакций – для обратимых реакций. Последнее показывает, что для полного завершения реакции требуется бесконечно большой объем реактора, что практически невозможно. Это – одна из причин широко распространенного в промышленности неполного превращения реагентов, которые после разделения смеси возвращаются в процесс (рецикл исходных реагентов).

Влияние температуры.

В уравнение скорости реакции, и, соответственно производительности, входит константа скорости, существенно зависящая от температуры. В подавляющем большинстве случаев константа скорости сильно возрастает с ростом температуры. Поэтому температура является важнейшим фактором производительности процессов. Если в основе процессов лежат обратимые или необратимые эндотермические реакции, то производительность процессов возрастает с ростом температуры во всем мыслимом ее диапазоне. В случае обратимых эндотермических реакций температура одновременно действует как фактор ускорения реакции и как фактор смещения равновесия в сторону продуктов. Это хорошо иллюстрируется кинетическим уравнением таких реакций, например, для реакции

(1)

С ростом температуры возрастает и константа скорости реакции и константа равновесия К. В результате растет сомножитель и сомножитель, заключенный в квадратную скобку.

По иному обстоит дело у обратимых экзотермических реакций (Н>0), когда требования кинетики и термодинамики взаимно противоположны. В этой случае с ростом температуры возрастает член , но уменьшается константа равновесия К, что приводит уменьшению значения сомножителя, заключенного в квадратные скобки. Противоборство этих двух факторов обусловливает экстремальную зависимость производительности от температуры. Очевидно, что положение температурного экстремума зависит от степени конверсии реагентов, так как входящие в уравнение (1) концентрации компонентов зависят от глубины протекания процесса

Оптимальная температура тем ниже, чем выше степень конверсии и для данного случая выгодно постепенно понижающийся профиль температур (рис.1 )

Рисунок 1. Зависимость скорости обратимой реакции от температуры при разной степени конверсии.

Последний вывод относится к реакторам периодического действия идеального вытеснения. В первом случае необходимо в течение операции по мере увеличения степени понижать температуру. При использовании робототехники с анализаторами состава реакционной массы должна быть закоммутирована «следящая система», дающая сигнал на исполнительный орган (вентиль горячего пара) на уменьшение интенсивности теплового потока в соответствии с требуемым значением оптимума. Во втором случае можно разбить реакционное пространство на секции и понижать температуру после каждой секции путем подачи части захоложенного реагента в реакционный поток или снимать избыточное тепло с помощью теплообменников. Можно предусмотреть также дифференциальный подогрев реакционного потока по высоте реактора.

При безградиентных условиях, когда реактор работает при постоянной температуре, оптимум последней определяется ординатой кривой при заданной степени превращения, а при использовании каскада реакторов идеального смешения температуру менять ступенчато в соответствии с принятой для каждого реактора степенью конверсии.