8.7. Параметрическая чувствительность

При изменении начальных значений параметров процесса соответственно изменяются значения параметров в реакторе и на выходе из него. При этом расчеты и опыт показывают, что существуют такие условия, при которых режим работы реактора становится чрезвычайно чувствительным к незначительным изменениям исходных параметров. Величину, характеризующую изменение какого-либо конечного параметра процесса при изменении начального значения какого-либо параметра, называют параметрической чувствительностью. Этот показатель имеет большое практическое значение и должен учитываться при разработке и оформлении химических процессов.

Качественно влияние параметрической чувствительности можно установить на примере простой экзотермической реакции А → R + Q, проводимой в РИВ. На рис. 8.9 показаны зависимости температуры реакционной смеси и степени превращения от длины реактора, эти данные получены при нескольких значениях температуры стенки реактора Т_ст и при условии, что эта температура поддерживается постоянной по всей длине реактора.

На рис. 8.9 видно, что незначительное снижение температуры стенки Т_ст (ниже 310 °С) приводит к очень сильному уменьшению температуры реакционной смеси в горячей области реактора, где резко возрастает степень превращения (Х_А). Следовательно, реактор обладает высокой параметрической чувствительностью по отношению к температуре стенки. Подобная чувствительность может наблюдаться по отношению к другим параметрам (концентрации реагента, объему смеси, коэффициенту теплопередачи и др.).

Рис. 3.9. Параметрическая чувствительность РИВ:

1 – температура стенки Тст = 270 К; 2 – Тст = 280 К; 3 – Тст = 290 К;

4 – Тст = 300 К; 5 – Тст = 310 К; 6 – Тст = 320 К

8.8. Выбор типа реактора с учетом теплового режима

Важнейшим показателем, определяющим выбор реактора при проведении простой необратимой реакции, является скорость процесса, которая должна быть максимальной. Она зависит от концентрации реагента и температуры процесса, т.е. r = f (C, T). Рассмотрим изменение этих параметров в реакторах различного типа при работе их в адиабатическом режиме. Из рис. 8.10 видно, что при проведении эндотермической реакции более эффективным является РИВ, так как средние значения С_А, Т, – r_А в нем выше, чем в РИС-Н.

При проведении экзотермической реакции в адиабатическом режиме возможны два случая, зависящие от степени влияния на скорость реакции каждого из параметров С_А и Т поскольку с течением времени, т.е. с увеличением Х_А, температура повышается, а значение С_А уменьшается.

A→R - Q

A→R + Q

Рис. 8.10. Изменение параметров в РИВ и РИС-Н для реакций A → R ± Q

В первом случае повышение скорости реакции вследствие увеличения температуры преобладает над снижением скорости этой реакции за счет уменьшения концентрации реагента (рис. 8.10, кривые 1 на графике –r_выт = f (l) и –r_см = φ(у)). В этом случае при проведении процесса в РИВ функциональная зависимость имеет максимум (рис. 8.10, кривая 1 на графике –r_выт = f (l)).

Во втором случае снижение скорости процесса в результате уменьшения концентрации реагента настолько значительное, что оно не компенсируется повышением скорости процесса вследствие повышения температуры реакционной смеси за счет тепла реакции.

При этом скорость реакции снижается (рис. 8.10, кривая 2 на графике –r_выт = f (l) и –r_см = φ(у)). Такие условия наблюдаются при низком тепловом эффекте реакции и при протекании процесса в области высокой степени превращения, когда количество выделяющегося тепла невелико.

Условия, соответствующие первому случаю, показаны на рис. 8.11 и 8.12.

Из рис. 8.11 видно, что вначале на участке от Х_А,0 до Х_А,1 (когда скорость реакции достигает максимального значения –r_А,1) процесс выгодно вести в РИС-Н, так как в этом реакторе процесс протекает при постоянной конечной скорости реакции –r_А,1, которая имеет наибольшее значение. В дальнейшем (на участке от Х_А,1 до Х_А,2) невыгодно вести процесс в РИС-Н, так как в этой области процесс будет протекать при самой низкой скорости –r_А,2, соответствующей конечным значениям параметров (С_А,2 и Т₂).

В РИВ скорость процесса в этой области будет плавно изменяться от r_А,1 до r_А,2 и, следовательно, средняя скорость процесса будет выше.

При проведении обратимых и сложных реакций возникают дополнительные требования при выборе реакторов такие, как обеспечение высокой селективности и выхода по целевому продукту.

Рис. 8.11. Области применения различных типов реакторов

Рис. 8.12. Сочетание РИС-Н и РИВ, обеспечивающее оптимальные условия процесса