III. Политермический реактор

(большинство реакторов)

Изменение температуры Δ T° в политермическом реакторе определяется величиной и знаком теплового эффекта q_х.рреакции, начальной концентрацией реагентов, степенью превращения X_А реагентов иколичеством теплоты f_т, подводимой или отводимой из зоны реакции:

Δ T° = f ( q_х.р, , X_А,f_т)

Из уравнения теплового баланса политермического реактора можно найти:

1) изменение температуры Δ T° по высоте H реактора (при жидком вытеснении) при известной теплоте Q, которая передается через стенки реактора:

если известно слагаемое - => найти изменение температуры Δ T° в зависимости от степени превращенияX_А,

2) зная изменение температуры Δ T°, можно определить степень превращения Х_А (зная то же слагаемое ) при известной теплоте Q, подводимой / отводимой через стенки реактора;

3) определить поверхность теплопередачи f_т.

П Р И М Е Н Е И И Е

Политермический режим наблюдается в реакторах, в которых тепловой эффект Q_x_._p_. основной химической реакции лишь частично компенсируется за счет тепловых эффектов побочных реакций или физических процессов, по знаку противоположных основному процессу.

К таким реакторам относятся многие шахтные и доменные печи.

IV. СЛОЖНО ПОЛИТЕРМИЧЕСКИЙ РЕЖИМ

Такой режим наблюдается в насадочных башнях для сорбционных и десорбционных процессов, т.к. процессы аБсорбции и сорбции сопровождаются теплообменом между Газом-Жидкостью с возможным испарением растворителя в нижней части башни и с последующей конденсацией его в верхних участках башни.

Если аБсорбция / аДсорбция сопровождается испарением, причем когда они компенсируются полностью, - это изотермический режим. Если компенсация не полная - режим политермический.

V. Оптимальный температурный режим.

Способы его осуществления

Оптимальный температурный режим – это температурный режим, обеспечивающий экономически целесообразную максимальную производительность П по целевому продукту (при МАХ возможной скорости w_r проведения процесса), при этом необходимо достижение высокой конверсии – для простых реакций и высокую селективность – для сложных реакций.

Решение практической задачи проведения процесса в промышленном реакторе в соответствии с оптимальным температурным режимом зависит от многих факторов и прежде всего от теплового эффекта и кинетики реакции.

Анализируя это уравнение скорости реакции, заключаем, что к увеличению скорости реакции приведет:

- повышение температуры;

- снижение степени превращения.

Чтобы скомпенсировать снижение скорости w_r реакции с ростом степени превращения Ха целесообразно увеличивать температуру Т°. Поэтому экзотермические (Δ Н< 0) простые (A→ R) необратимые (→ ) реакции целесообразно проводить в адиабатическом РИВ (нет теплообмена с окружающей средой - реакторы, работающие без подвода или отвода тепла Qв окружающую среду через стенки реактора. Т.о. все тепло, выделяемое или поглощаемое в ходе реакции, аккумулируется (поглощается) реакционной смесью)

- в этом случае можно обеспечить высокую скорость w_r реакции и высокую производительность П реактора без использования посторонних источников тепла Q.

Температура повышается с увеличением конверсии, следовательно, повышается и константа скорости, с значит, повышается и скорость процесса.

Наилучшая организация процесса достигается, если теплота Q продуктов, выходящих из реактора, служит для нагревания реагентов при входе в реактор.

Реакции эндотермические (Δ H> 0) простые (A→ R) необратимые (→ ) невыгодно проводить в адиабатическом РИВ, а более целесообразно - в реакторах с подводом тепла Q, поддерживая определенную температуру T⁰ максимально возможную по конструкционным и технологическим соображениям (изотермическом, политермическом). (с повышением конверсии температура понижается, а значит понижается и константа скорости, и сама скорость). Эндотермические процессы все0же проводят в адиабатическом РИВ-Н, но подачу сырья производят совместно с паром.

Простые обратимые реакции

(↔ )

Анализируя это уравнение скорости реакции, заключаем, что к увеличению скорости w_r реакции приведет повышение температуры:

T⁰ ↑ => w_r ↑

На скорость w_r реакции оказывает также влияние знак теплового эффекта Q _r (или энтальпии Δ Н):

1) Если прямая реакция - эндотермическая Δ Н> 0 (споглощением тепла)

то повышение температуры T⁰ ↑ также благоприятно повлияет и на положение химического равновесия ↔ (сместитего именно в сторону прямой реакции → ).

Поэтому такие реакции проводят в реакторах с подводом тепла так же, как и необратимые (→ ) эндотермические (Δ Н > 0) реакции.

2) Если прямая реакция — экзотермическая (Δ Н < 0) (с выделением тепла)

то вступают в противоречие КИНЕТИКА и ТЕРМОДИНАМИКА процесса: повышение температуры T⁰ ↑ неблагоприятно повлияет на положение химического равновесия ↔ (сместит егов сторону обратной реакции ← ).

Поэтому применяют следующий режим:

- в начале процесса когда концентрация продукта С_R еще невелика,

температуру увеличивают T⁰ ↑ до тех пор, покаскорость процесса w_r↑ не станет достаточно высокой;

- в конце процесса - температуру постепенно снижают T⁰↓ по линии

оптимальных температур (ЛОТ)таким образом, чтобы скорость процесса w_r↑ оставалась как можно более высокой при данных условиях.

Такой режим не осуществим ни в адиабатическом, ни в изотермическом реакторе. Приближением к данному режиму является РИВ, находящийся внутри теплообменной трубки, внутри которой проходит охлаждающий реагент.

Другой способ – проведение процесса в многосекционном реакторе, в котором каждая секция работает в адиабатическом режиме, но между секциями имеется охлаждение.

Для эндотермических (обратимых и необратимых) реакций целесообразно химический процесс проводить в реакторах с подводом теплоты, причем желательно обеспечить достаточно равномерное распределение температуры по объему реактора. Распространенным типом аппаратов для проведения эндотермических реакций являются трубчатые реакторы, похожие по конструкции на кожухотрубные теплообменники. В этих аппаратах трубное пространство представляет собой собственно реактор, в котором реагенты движутся в режиме вытеснения, а по межтрубному пространству проходит теплоноситель, например топочные газы. Трубчатый реактор для проведения каталитических реакций, обогреваемый топочными газами, применяют, в частности, для паровой конверсии природного газа. Аналогичную конструкцию имеет ретортная печь для синтеза бутадиена из этилового спирта, в которой

Топочные

Рис. Трубчатый реактор газы

для проведения эндотермической

реакции

катализатор вместо труб располагают в ретортах — узких каналах с прямоугольным сечением. В таких реакторах ширина поперечного сечения каналов, по которым движется реакционная смесь, должна быть невелика, чтобы получить достаточно равномерное распределение температуры по сечению. Так как в реальных реакторах гидродинамический режим отклоняется от режима идеального вытеснения, при котором в любом поперечном сечении условия выровнены, то температура в центре канала отличается от температуры у стенки. В трубах большого диаметра температура на оси трубы существенно ниже температуры у стенки. Следовательно, и скорость реакции в той части реакционного потока, которая движется близко к оси трубы, ниже средней скорости в аппарате. При проведении каталитических процессов можно наносить катализатор только на внутреннюю поверхность труб, что обеспечит примерно одинаковую температуру по всему реактору.

Гомогенные эндотермические реакции можно также осуществлять в реакторах с интенсивным перемешиванием и теплообменной поверхностью, так как и в этом случае будет обеспечено равномерное распределение температуры по реактору.

Экзотермические реакции проводят, как правило, либо в адиабатических условиях, либо в аппаратах с отводом теплоты.

При осуществлении необратимых экзотермических реакций рост температуры приводит однозначно лишь к увеличению скорости процесса. Для снижения энергетических затрат такие реакции выгодно проводить в автотермическом режиме, когда требуемая температура обеспечивается исключительно выделяющейся теплотой химической реакции без подвода энергии извне. Существуют две предельные температуры (нижняя и верхняя), между которыми целесообразно проводить процесс.

Нижней предельной является температура, при которой скорость экзотермической реакции (а следовательно, и скорость выделения теплоты) достаточна для обеспечения автотермического режима. Ниже этой теплоты скорость тепловыделения меньше скорости отвода теплоты с реакционным потоком, выходящим из реактора, и температура в проточном адиабатическом аппарате будет падать.

Верхнее предельное значение температуры связано с побочными процессами (побочными химическими реакциями или побочными физическими явлениями), а также с жаропрочностью конструкционных материалов. Например, при проведении гетерогенных процессов обжига зернистого твердого материала повышение температуры выше некоторого предельного значения приводит к спеканию твердых частиц, а следовательно, к увеличению времени их полного превращения и уменьшению производительности реактора. Часто рост температуры ограничен прочностью конструкционных материалов и нецелесообразностью применения дорогостоящих жаропрочных материалов.

При проведении экзотермических процессов микробиологического синтеза повышение температуры ограничено жизнестойкостью микроорганизмов. Поэтому такие процессы целесообразно осуществлять в реакторах с отводом теплоты, а во избежание локальных перегревов лучше использовать реакторы, гидродинамический режим в которых приближается к идеальному смешению. Интенсивное перемешивание в таких процессах не только обеспечивает равномерное распределение температуры, но и интенсифицирует стадии массопередачи кислорода из газовой фазы в жидкую.

Обратимые экзотермические реакции нужно проводить в соответствии с линией оптимальных температур, т. е. понижая температуру в аппарате по мере роста степени превращения реагентов. Такой режим неосуществим ни в адиабатических, ни в изотермических реакторах: при адиабатическом режиме рост степени превращения сопровождается выделением теплоты и разогревом, а не охлаждением реакционной смеси; при изотермическом режиме температура остается постоянной и не меняется с ростом степени превращения.

Осуществить процесс строго по линии оптимальных температур чрезвычайно сложно. Это можно было бы сделать в реакторе с теплообменной поверхностью, работающем в режиме вытеснения, при условии, что количество теплоты, отводимое через стенку реактора, будет разным на различных участках аппарата. Реагенты перед началом реакции следовало бы нагреть до высокой температуры, а сразу же после их поступления в аппарат предусмотреть отвод теплоты. Если реактор разбить по длине на несколько участков, то, чтобы обеспечить движение по линии оптимальных температур, на каждом из них количество отводимой теплоты должно быть немного больше количества теплоты, выделяющейся в ходе реакции. Следует иметь в виду, что по мере увеличения степени превращения падает скорость реакции и, следовательно, уменьшается скорость тепловыделения. Поэтому на участках реактора, где реакция завершается, нужно отводить меньше теплоты, чем на начальных участках.

⇐ Предыдущая 1 2 34