Лекция №8
Рассмотрим модельную реакцию.
aA + bB = cC + dD, при условии, что температура, давление, начальные мольные доли компонентов и расход смеси постоянны.
Рассмотрим реактор полного смешения, работающий в изотермическом режиме.
Vp=(VNS*ZNA/22.4*10-3)/(XКА/U)
Допустим, что объём реактора может меняться от нуля до бесконечно большой величины.
На первом этапе определим, каковы будут показатели интенсивности реактора при объёме реактора, равном нулю и объёме реактора, стремящемся к бесконечности.
При объёме реактора, равном нулю, скорость будет иметь некоторое значение, отличное от нуля, степень превращения будет равна нулю, производительность по продукту равна нулю, мольная доля продукт численно равна начальной мольной доле.
При объёме реактора, стремящемуся к бесконечности, процесс будет приближаться к состоянию равновесия. Скорость близка к нулю, но нуля не достигает. Степень превращения будет стремиться к равновесному значению. Производительность по компоненту С будет стремиться к некоторому предельному значению, которое определяется расходом реакционной смеси, начальной мольной долей компонентов и максимально возможной степенью превращения ключевого компонента.
При постоянном значении температуры и давления и начальных мольных долей реагентов на величину скорости будет оказывать влияние только изменение текущих мольных долей реагентов. Независимо от того, насколько интенсивно протекает реакция, по мере её протекания мольные доли исходных реагентов уменьшаются, а мольные доли продуктов увеличиваются. Следовательно, наблюдаемая скорость реакции будет уменьшаться во всём диапазоне изменения объёма реактора.
Мы определили форму зависимости скорости и можем сказать, что форма остальных зависимостей – это выпуклая кривая. Важно, что нет никаких точек перегиба.
Для реальной оценки реактора надо принимать во внимание насколько изменится степень превращения при увеличении объёма реактора.
Рассматриваем экзотермическую реакцию.
Проанализируем, что произойдёт при увеличении температуры в реакторе.
На входе степень превращения ключевого компонента равна нулю, скорость увеличивается. Так как реакция экзотермическая, то по принципу Ле Шателье увеличение температуры приводит к смещению равновесия в сторону исходных веществ. Равновесная степень превращения ключевого компонента уменьшается. Следовательно, получаем зависимость с пересечением. Соответственно, при проведении обратимой экзотермической реакции в изотермическом температурном режиме увеличение температуры выгодно только в том случае, если реагирующая система находится вдали от равновесия (малый объём реактора). Вблизи равновесия увеличение температуры невыгодно (большой объём реактора).
Для реактора полного смешения объём, при котором степень превращения не зависит от температуры равен объёму реактора, при котором скорость не зависит от температуры.
(VNS∙ZNA/22.4∙10-3)∙(XКА/Vp)=U
Проанализируем, что произойдёт при увеличении давления в реакторе, при условии, что коэффициент изменения числа молей больше нуля, но меньше единицы (0<W<1).
При увеличении давления равновесие смещается в сторону продуктов, согласно принципу Ле Шателье.
Во всем диапазоне объёма реактора увеличение давления приводит к увеличению скорости процесса и увеличению степени превращения ключевого компонента, производительности и мольной доли продукта.
Увеличение концентрации исходных реагентов.
Увеличение концентрации исходных реагентов приводит к увеличению скорости реакции и смещению равновесию в сторону образования продуктов, поэтому зависимости будут аналогичны. Но при анализе нельзя представлять график зависимости степени превращения от объёма реактора. Изменение начальной концентрации ключевого компонента происходит за счёт изменения начальной концентрации инерта.
Увеличиваем расход смеси.
Расход смеси на равновесие не влияет. Производительность возрастает, так как она определяется как расходом смеси, так и степенью превращения ключевого компонента. Соответственно, чтобы понять, как влияет изменение расхода смеси на остальные параметры, возьмём постоянный объём и увеличим расход смеси.
Vp=(VNS*ZNA/22.4*10-3)*(XКА/U)
Выполнение равенства будет исполняться при уменьшении степени превращения и автоматическом увеличении численного значения скорости. Скорость реакции от расхода не зависит. Численное увеличение скорости связано с тем, что при одном и том же объёме реактора увеличение расхода приводит к уменьшению достигаемой степени превращения.
Чем больше скорость процесса, тем больше глубина превращения, чем больше глубина превращения, тем меньше скорость.