Тепловой взрыв

Т епловой взрыв возникает при обычной (не цепной) экзотермической реакции, когда выделение теплоты при химической реакции становится больше теплоотдачи. При медленном протекании экзотермической химической реакции теплота отводится в окружающее пространство и температура в зоне реакции окисления лишь немного выше температуры окружающей среды. При быстром протекании теплота не успевает отводиться в окружающую среду, температура в реакционной зоне увеличивается, скорость реакции и, следовательно, скорость тепловыделения растут по е^х. Происходит взрыв.

Кривая 1 + линия 2. Если температура проведения процесса Т < T_A, то скорость тепловыделения больше скорости теплоотдачи, система будет разогреваться, дойдет до точки A’, после чего начнется самопроизвольное охлаждение, т.к. скорость тепловыделения станет меньше скорости теплоотдачи. Если к системе подвести внешнее дополнительное тепло и разогреть ее до температуры, большей Т_С, то скорость теплоотдачи будет меньше скорости тепловыделения и может произойти взрыв.

Кривая 1 + линия 3. Здесь есть критическая ситуация в точке В, которая называется температурой воспламенения данной реакционной смеси. Кривая 1 + линия 4. Зависимости не пересекаются. Скорость тепловыделения всегда больше скорости теплоотдачи. Опасность взрыва, т.к. процесс идет с саморазогревом.

Формальная кинетика открытых систем. Приближение формально простых и элементарных процессов

Открытой называется система, которая обменивается с окружающей средой как энергией, так и веществом.

Модель реактора идеального смешения

Реактор идеального смешения и распределение концентрации вещества в нем

Реакция:

В реакторе идеального смешения жидкая фаза при помощи мешалки интенсивно перемешивается так, что концентрация вещества А и продуктов реакции во всех точках пространства одинакова.

Вход: 1. Скорость подачи раствора v, м³/с

2. Исходная концентрация вещества C_A,0

3. Скорость подачи вещества: vC_A,0

Реактор: 1. Объем реакционного пространства V, м³

2. Скорость превращения: wV

Выход: 1. Скорость вывода раствора v, м³/с

2. Конечная концентрация вещества C_A,k

3. Скорость вывода вещества: vC_A,k

Изменение количества вещества в единицу времени:

После интегрирования (в приближении реакции первого порядка ):

Данное уравнение передает зависимость концентрации вещества в реакторе при заданной скорости подачи реакционной смеси и объеме реактора. Концентрация вещества в реакционном пространстве постепенно растет и в какой-то момент времени достигнет постоянного (стационарного) значения.

Значение стационарной концентрации рассчитывается по уравнению:

при заданных объеме реактора и скорости подачи/вывода вещества.

Это же уравнение используется и для расчета скорости подачи/вывода при заданных С_ст и V.

Если достижение заданного уровня стационарной концентрации не реализуемо в условиях одного реактора, то на практике используют каскад реакторов.

Схема каскада из трех реакторов и график изменения концентрации исходного вещества по каскаду.

Для обратимой реакции стационарные концентрации могут быть рассчитаны по уравнению:

Стационарный режим

В ситуации стационарного процесса концентрация вещества в любой точке аппарата одинакова и не меняется во времени, следовательно, .

При этом концентрация уменьшается скачком, а смесь на выходе из аппарата имеет такой же состав, как и в любой точке аппарата.

В этом случае вводится понятие среднего времени пребывания реакционной массы в аппарате:

,

хотя в действительности время пребывания каждой частицы в аппарате свое.

Из этого уравнения можно вычислить концентрацию исходного вещества в потоке, выходящем из реактора идеального смешения.

Для реакции первого порядка степень превращения исходного вещества при выходе реакционной смеси из реактора

Среднее время пребывания рассчитывается по уравнению: