Лекция №10 Сравнение адиабатических реакторов при проведении эндотермической реакции.

U РИВ > UРПС

k РИВ > kРПС

Д СРИВ > ДСРПС

П оскольку при эндотермической реакции температура будет уменьшаться, то в соответствии с допущениями моделей, в РИВ будет наблюдаться плавное понижение температуры по длине реактора, а в РПС скачкообразное изменение, поэтому kРИВ будет всегда выше, чем kРПС.

А налогично можно сделать заключение, что ДСРИВ будет также всегда выше, чем ДСРПС.

На величину движущей силы в адиабатическом реакторе оказывают влияние и температура, меняющаяся по длине реактора, и мольные доли участников процесса. Отсюда, при проведении эндотермической обратимой реакции в адиабатическом температурном режиме всегда будет предпочтителен РИВ.

Аналогично можно сравнить изотермический и адиабатический режимы:

UИЗО > UАД

k ИЗО > kАД

Д СИЗО > ДСАД

k РИВ будет всегда выше, чем kРПС. (В изотермическом режиме температура постоянна, а в адиабатическом будет уменьшаться.)

Д СИЗО будет больше, чем в адиабатическом режиме, по причине того, что постоянство температуры обеспечивает постоянство состояния равновесия, а уменьшение температуры в адиабатическом режиме смещает равновесие в сторону исходных веществ.

Отсюда: при проведении эндотермической реакции, при выборе гидродинамического и температурного режима, следует учитывать:

1. РИВизо

2. РПСизо

3. РИВад

4. РПСад

Модель (1) – идеальный вариант с точки зрения проведения процесса, НО он достаточно сложен конструктивно (на каждый участок нужно подводить свое количество теплоты, и в целом количество подведенной теплоты будет огромно, что говорит о больших затратах) => такие реакторы на практике не используются.

Модель (3) – простая, но так как температура понижается, мы не можем гарантировать полное превращение ключевого компонента.

Модель (4) – на практике не строят.

=> используют некое промежуточное состояние – политермический режим.

Конструкция: РИВизо, но нет задачи компенсировать весь тепловой эффект.

Пример: конверсия метана

Охлаждение от 900° до 820°.

CH4 + H2O = CO + 3H2 эндо

CH4+2O2 = CO2 + 2H2O экзо (параллельно проводимая реакция)

(парокислородная конверсия: кислород в недостатке, чтобы весь прореагировал с метаном;

паровоздушная: подается не чистый кислород, а воздух в таком количестве, чтобы после того как О2 прореагировал, оставшийся азот составил с Н2 смесь в соотношении 3:1(сырье для синтеза аммиака).

С равнение реакторов при проведении экзотермической реакции.

U ИЗО UАД

k ИЗО < kАД

Д СИЗО > ДСАД

Вдали от равновесия предпочтительно использование адиабатического режима, а вблизи равновесия – изотермического.

Отсюда вывод: адиабатический режим при проведении экзотермической реакции используется в том случае, если необходимо обеспечить высокую скорость процесса при минимальном объеме реактора, а изотермический, если необходимо максимально переработать исходные реагенты в единичном реакторе.

Температурная устойчивость адиабатического реактора.

Стационарное состояние объекта называется устойчивым, если незначительное кратковременное внешнее воздействие не приводит к переходу в другое стационарное состояние.

Стационарное состояние объекта называется неустойчивым, если незначительное кратковременное внешнее воздействие приводит к переходу в другое стационарное состояние.

X 1 2 3

V_Р

Одному и тому же объему реактора может соответствовать 3 степени превращения.

Мы не знаем, что получится, и устойчивы ли эти три состояния.

Поэтому графически решается система уравнений материального и теплового баланса для модели адиабатического реактора полного смешения.

X

const

Vp, VNS

1 P, ZNi

2

1

3

T

Зависимость проходит через экстремум, так как форма зависимости определяется скоростью процесса, и при увеличении температуры константа скорости растет, а движущая сила уменьшается.

Наносим на график уравнение теплового баланса – прямая линия; тангенс угла к температурной оси определяется адиабатическим коэффициентом.

Графическое решение подтверждает ранее нарисованный график.

1 – область низкотемпературного стационарного состояния (на практике никому не нужна).

2 – область высокотемпературного стационарного состояния (на практике никому не нужна).

3 – зона множественности стационарных состояний.

Уравнение теплового баланса:

Tвх – температура на входе в реактор

Ср – теплоемкость

- удельный тепловой эффект химической реакции

Так как реакция экзотермическая, то температура на выходе больше, чем на входе в реактор, и отсюда мы получаем, что это уравнение показывает величину удельного конвективного теплоотвода из реакционной зоны (q _ ).

Анализируем уравнение материального баланса:

умножим обе части уравнения на qхр

где qхр – удельное количество теплоты, которое выделяется в результате протекания химической реакции.

В точках стационарного состояния наблюдается равенство тепловыделения и теплоотвода из реакционной зоны.

Анализ устойчивости этих точек:

q +, q- A

TA T

Если произошло незначительное кратковременное увеличение температуры, то мы наблюдаем превышение теплоотвода над тепловыделением, и в результате реактор начинает сам себя охлаждать.

Если произошло незначительное кратковременное уменьшение температуры, то мы наблюдаем превышение тепловыделения над теплоотводом, и в результате система начинает сама себя разогревать.

Соответственно, точка А – точка устойчивого стационарного состояния.

q +, q- B

TB T

Если произошло незначительное кратковременное увеличение температуры, то мы наблюдаем превышение тепловыделения над теплоотводом, и реагирующая система начинает сама себя неконтролируемо разогревать, в результате возможно спекание катализатора с последующим смешением активностей и необходимостью остановки реактора.

Если произошло незначительное кратковременное уменьшение температуры, то мы наблюдаем превышение теплоотвода над тепловыделением, и в результате наблюдается неконтролируемое охлаждение реактора, и он автоматически переходит в режим остановки.

Соответственно точка В – точка неустойчивого стационарного состояния и работать в ней нельзя.

q +, q- C

TС T

Если произошло незначительное кратковременное увеличение температуры, то мы наблюдаем превышение теплоотвода над тепловыделением, и в результате реактор начинает сам себя охлаждать.

Если произошло незначительное кратковременное уменьшение температуры, то мы наблюдаем превышение тепловыделения над теплоотводом, и в результате система начинает сама себя разогревать.

Соответственно, точка C – точка устойчивого стационарного состояния.

Как попасть в точку С?

Есть 2 варианта:

X

1

C

T

Tвх обусловлена температурой зажигания катализатора.

Экстенсивный путь: в реакторе достраивают пусковой подогреватель и на время пуска поднимают Tвх , а дальше постепенно снижают его мощность, до тех пор, пока реактор не перейдет в стационарную точку С.

Интенсивный метод: запуск реактора осуществляют на обедненной реакционной смеси, т.е. мольная доля ключевого компонента очень мала, в результате величина адиабатического коэффициента немногим отличается от 0.

X адиабата – почти изотерма;

1 после постепенно увеличивается

концентрация исходного

компонента

Твх T