Температурный режим реакторов

Характер распределения температуры в химическом реакторе чрезвычайно важен при анализе протекающих в нем процессов, так как температура – один из основных параметров технологического режима. От температуры зависят состояние химического равновесия и предельно достижимая степень превращения реагентов и скорость химических реакций. Кроме того, от температуры зависит селективность при проведении сложных реакций. Нарушение равномерного распределения температуры в реакторе может привести к локальным разогревам, нежелательным побочным явлениям и т.д.

Изменение температуры в реакторе в целом или изменение распределения температуры по объему реактора происходит вследствие протекающих в нем процессов, сопровождающихся выделением или поглощением теплоты, а также вследствие теплообмена реактора с окружающей средой.

Существенное влияние на характер распределения температуры оказывает гидродинамическая обстановка в аппарате. Например, в реакторе идеального смешения все параметры процесса, в том числе и температура в данный момент времени одинаковы в любой точке реактора. Напротив, в реакторе вытеснения температура может быть различной в разных точках аппарата. Интенсивность перемешивания влияет и на интенсивность теплообмена в аппарате.

В зависимости от температурного режима выделяют 3 основных типа реакторов: адиабатический, изотермический, политермический.

Адиабатическими называют реакторы, работающие без подвода или отвода тепла в окружающую среду через стенки реактора и все тепло, выделяемое или поглощаемое в ходе реакции, накапливается реакционной смесью (РИВ).

Изотермическими называются реакторы, в которых протекают процессы при постоянной температуре во всем объеме реактора. Изотермичность достигается прежде всего весьма интенсивным перемешиванием реагентов, в результате которого температура во всех точках реактора становится одинаковой. Это происходит в реакторах с сильным перемешиванием реагентов, близким к полному смешению. Необходимая температура в реакторе устанавливается или благодаря подводу или отводу теплоты реакции, или за счет регулирования температуры поступающей реакционной смеси. Изотермический режим приближенно достигается и в реакторах вытеснения при протекании в них процессов с малыми тепловыми эффектами или при весьма низкой концентрации реагентов.

Политермический реактор характеризуется частичным отводом тепла реакции или подводом тепла извне в соответствии с заданной программой изменения температуры по высоте реактора вытеснения или неполного смешения. Реакторы такого типа называют также программно-регулируемыми. Политермичны во времени реакторы полного смешения периодического действия.

При изучении и количественной оценке процессов в реакторе, для вывода расчетных формул температурного режима используют тепловые балансы. Тепловой баланс основан на законе сохранении энергии.

Адиабатический реактор.

Изменение температуры в адиабатическом реакторе Δt прямо пропорционально степени превращения х, концентрации основного реагента С_А0, тепловому эффекту реакции q_p. Разность температур Δt обратно пропорциональна теплоемкости реакционной смеси . Изменение температуры положительно для экзо- и отрицательно для эндотермических процессов. Уравнение адиабатического процесса легко выводится из теплового баланса для реакционного объема реактора в целом или для любого элементарного объема реактора. Запишем общее выражение теплового баланса для установившегося процесса как равенство прихода и расхода теплоты:

Теплота прихода складывается из теплоты входящей реакционной смеси Q_исх и теплоты физических процессов, происходящих в реакционном объеме Q_р:

В адиабатическом процесс теплообмен реактора с окружающей средой отсутствует и вся теплота отводится с реакционной смесью, масса которой равна G, средняя теплоемкость и температура на выходе t_k:

По закону сохранения массы вещества общее количество ее остается неизменным. Принимая, что средняя массовая теплоемкость реакционной массы, поступающей в объем и выходящей из него , получаем

Для любой простой реакции количество выделившейся или затраченной в реакторе теплоты Q_p будет пропорционально массовой концентрации продукта в выходящей смеси С_В или концентрации основного исходного вещества в поступающей смеси и степени его превращения, т.е.

где q_P – теплота реакции на единицу массы (моль) целевого продукта. Таким образом, суммарное уравнение теплового баланса для реакции А → В

Преобразуя данное уравнение, получим характеристическое уравнение адиабаты для реакции А → В:

или

Разность называется адиабатическим изменением температуры.

Применение: по модели адиабатического реактора РИВ рассчитывают контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора. Применяются также для расчета камерных реакторов, в которых протекают гомогенные реакции, прямоточных абсорберов.