OKhT2 (1)

а - Qх.р. = f(Т); б - Qконв = φ(Т)

Рисунок 3.3 – Диаграммы зависимости прихода и расхода тепла от температуры для РИС-Н-А

L

Все точки пересечения кривой и прямой, показанные на рисунке 3.4 (K, L, M), соответствуют состоянию теплового равновесия, когда скорость прихода тепла равна скорости расхода тепла. Однако не все режимы, соответствующие точкам пересечения, равноценны и не все могут быть рекомендованы для промышленных условий.

Режим, показанный на рисунке 3.4а (кривая и прямая пересекаются в точке К); соответствует высокой степени превращения и обеспечивает устойчивую работу реактора, поэтому такой режим представляет практический ин-

Возможно, не изменяя положения S-образной кривой, перемещать линию теплоотвода вправо или влево от ее первоначального положения либо изменять угол ее наклона. Для перемещения прямой вправо повышают температуру реакционной смеси Т0 на входе в реактор. Тогда в соответствии с уравнением прямая перемещается в положение, показанное на рисунке 3.4б пунктиром, при этом прямая и кривая пересекаются в точке К.

Для уменьшения угла наклона прямой увеличивают концентрацию реагента А в поступающей в реактор смеси (СА,0). В этом случае уменьшается tg α [уравнение (3.29)].

Как видно из рисунка 3.5, при уменьшении угла наклона от α1 до α2 точка пересечения кривой и прямой перемещается из точки L в точку К, соответствующую большому значению ХА и устойчивому режиму.

При проведении обратимых экзотермических реакций условия осложняются, так как при этом изменяется вид S-образной кривой (она достигает максимума, а затем убывает). Это объясняется тем, что для обратимых экзо-

термических реакций равновесная степень превращения Х *А уменьшается при увеличении температуры (рисунок 3.6).

Из рисунка 3.6 видно, что кривая достигает максимального значения в точке К, а затем убывает, располагаясь вдоль равновесной кривой Х *А. Поэтому на практике процесс ведут так, чтобы прямая линия (линия теплоотвода) проходила либо через точку К на кривой 1 (ХА = max), либо через точку Р, когда прямая образует меньший угол наклона α2. Это обычно достигается повышением концентрации исходного реагента СА,0. ДЛЯ увеличения конечной степени превращения процесс ведут в несколько стадий; при этом реакционную смесь после первой стадии охлаждают, выделяют из нее целевой продукт, а затем реакционную смесь вновь нагревают и направляют в реактор второй и последующих стадий.

При эндотермических реакциях происходит поглощение тепла (– H ), в этом случае температура реакционной смеси на входе в реактор выше тем-

пературы в реакторе. Тогда Qконв = С′р (Т − Т0 ) по уравнению (3.29), значе-

ние tg α становится отрицательным, а угол наклона будет больше 90°. При таких условиях прямая всегда будет иметь только одну точку пересечения с S-образной кривой (рисунок 3.7).

Перемещение точки пересечения в область высокой степени превращения обычно достигается передвижением прямой вправо. Для этого повышают температуру реакционной смеси на входе в реактор от Т0 до Т при постоянном значении угла наклона α1 (рисунок 3.7) или уменьшают угол наклона от α1 до α2 при постоянной температуре Т0 за счет уменьшения СА,0; соответственно пересечение кривой и прямой перемещается в точку К или М.

Для каждого практического случая существует оптимальный, наиболее выгодный режим работы реактора, который должен быть установлен с уче-

том ряда факторов, влияющих на экономичность процесса.

Приведенный графический метод определения оптимальных условий работы РИС-Н-А может применяться также для расчета других режимов работы реактора. Например, для РИС-Н-И по уравнениям (3.5) и (3.6) имеем

Из уравнения (3.32) следует, что этот наклон можно менять путем изменения поверхности теплообмена F, коэффициента теплопередачи К и скорости подачи исходного вещества ВА,0, а перемещение прямой вправо достигается повышением температуры хладоагента Тхл (рисунок 3.8).

Для РИС-Н-П по уравнению (3.16) получаем

лельного перемещения прямой изменяют температуру реакционной смеси на входе в реактор Т0 и температуру хладоагента Тхл (∆Т = Т – Тхл).

3.7 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 рисунке 3.9 показаны зависимости температуры реакционной смеси и степени превращения от длины реактора, эти данные получены при нескольких значениях температуры стенки реактора Тст и при условии, что эта температура поддерживается постоянной по всей длине реактора.

На рисунке 3.9 видно, что незначительное снижение температуры стенки Тст (ниже 310 ° С) приводит к очень сильному уменьшению температуры реакционной смеси в горячей области реактора, где резко возрастает степень

превращения (ХА). 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.).

3.8 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 рисунка 3.10 видно, что при проведении эндотермической реакции более эффективным является РИВ, так как средние значения СА, Т, – rА в нем выше, чем в РИС-Н.

Рисунок 3.10 – Изменение параметров в РИВ и РИС-Н для реакций A → R ± Q

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

В первом случае повышение скорости реакции вследствие увеличения температуры преобладает над снижением скорости этой реакции за счет уменьшения концентрации реагента (рисунок 3.10, кривые 1 на графике

– rвыт = f(l) и – rсм = φ(у)). В этом случае при проведении процесса в РИВ функциональная зависимость имеет максимум (рисунок 3.10, кривая 1 на гра-

фике – rвыт = f(l)).

Во втором случае снижение скорости процесса в результате уменьше-