68. Неизотермический процесс в химическом реакторе. Организация теплообмена в реакторе и температурные режимы.

Химическое превращение связано с изменением энтальпии реагирующей смеси, выделением или поглощением теплоты. Это изменяет температуру процесса и значит влияет на скорость химического превращения.

В ходе процесса возможен обмен теплотой с теплоносителем, что позволяет создавать желаемые температурные условия протекания реакции.

Рассмотрим варианты организации тепловых потоков.

1. В случае адиабатических процессов, выделяющихся в ходе экзотермической реакции теплота нагревает реакционную смесь и отводится вместе с ней из реактора.

Теплота, потребляемая эндотермической реакцией, поступает с исходным веществом, а продукт выходит охлажденным.

В реакторах, близких к режиму идеального вытеснения (ИВ), температура реакционной смеси меняется по мере ее продвижения и процесс в реакционной зоне – неизотермический.

В реакторах близких к режиму идеального смешения (ИС) процесс в реакционной зоне протекает изотермически, хотя в целом процесс считается адиабатическим. Т.к. выделяемая или затрачиваемая теплота реакции расходуется только на нагрев или охлаждение реакционной смеси.

2. В реакторах с циркулирующим теплоносителем последний обеспечивает отвод или подвод теплоты в реакционную зону.

Теплообмен может осуществляться через поверхность ограничивающую место протекания реакции, как это организованно в емкостном аппарате или в трубчатых реакторах.

Теплообменник может быть встроен в реакционную зону, как в реакторе типа печь.

Смесь реагентов может циркулировать через выносной теплообменник. Это обеспечивает теплообмен непосредственно в реакционной зоне.

Другой способ отвода тепла из зоны реакции является испарение части реакционной смеси в процессе протекания реакции. Образующиеся пары конденсируют для возврата в реактор, что делает схему теплообмена аналогичной с выносным теплообменником.

Возможен отвод тепла только за счет испарения жидкости, обычно растворителя(напр при барботаже).

Изменяя давление в реакторе изменяют содержание уносимых паров в газовом потоке и тем самым количество теплоты, отводимой с ним.

Температурный режим в таких реакторах может быть изотермическим ( а аппаратах с интенсивным перемешиванием) или с переменной температурой ( в трубчатых реакторах).

В многослойных реакторах или в последовательности реакторов теплообмен осуществляется с помощью поверхностных теплообменников, расположенных вне реакционной зоны, а так же вводом холодной или горячей реакционной смеси или ее компонентов в сам реактор.

69. Неизотермический процесс в химическом реакторе. Режимы идеально смешивания периодического и идеального вытеснения. Анализ процесса.

Математическая модель процесса

(1)

при τ=0 x=x_н; T=T_н

где – адиабатический разогрев; – параметр теплоотвода;T_x – температура теплоносителя, x_н и T_н соответственно начальная степень превращения и температура на входе в реактор;

x=(C₀-C)/C₀. Аналитического решения (1) в общем случае нет.

В адиабатическом режиме B=0 => система (1) принимает вид:

(2)

; при τ=0 x=x_н; T=T_н

Разделим второе уравнение системы (2) на первое

проинтегрируем его в пределах от x_н до x и от T_н до T получим: T-T_н=(x-x_н) (3)

Где (T-T_н) – разогрев реакционной смеси до достижения степени превращения x. Если x_н = 0, а реакция будет проведена до концы (х=1), то реакционная смесь нагреется на T-T_н=- на величину адиабатического разогрева. Анализируя уравнение 3 делаем вывод, что результат процесса (конечная температура I) зависит от изменения состояния химически реагирующей системы (степени превращения х) и не зависит от пути превращения, от кинетики. Зависимость степени превращения х от темперетуры I для адиабатического процесса в режиме UB дана на рисунке:

1 – эндотермическая реакция 2, 2' – экзотермическая реакция (сплошная линия соответствует ∆Tag, штриховая - ∆Tag'>∆Tag

Зависимость x(T) адиабатического процесса представляет прямую линию с tgα, равным обратной величине адиабатического разогрева: (см (3)), причем для экзотермической реакции наклон положительный (Q_P>0 и ∆Tag>0), а для эндотермической отрицательный (∆Q_P<0 и ∆Tag<0).

Чем больше адиабатический разогрев ∆Tag, тем более пологий наклон приобретает зависимость x(T) , то есть реакционная смесь будет сильнее разогреваться или охлаждаться.

Протекание реакции сопровождается ростом степени превращения x и увеличением (экзотермическая реакция) или уменьшением (эндотермическая реакция) температуры T. Максимальный разогрев достигается при x=1 и x_н=0 и равен ∆Tag

На процесс влияет исходная концентрация, увеличение которой приводит к повышению ∆Tag, и следовательно к ускорению превращения.