Создание оптимального теплового режима в реакторах

1. СОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В РЕАКТОРАХ

2.

Температура является одним из самых
мощных факторов, влияющих на скорость
химических процессов, поэтому на практике
устанавливают оптимальный температурный
режим каждого химического процесса с
учетом
условий равновесия протекающих реакций,
кинетических факторов,
селективности по целевому продукту,
термостойкости аппаратуры,
и т.д.

3.

Изотермические реакторы (только при небольших
тепловых эффектах) используются редко - высокая
стоимость
оборудования
делает
процесс
неэкономичным. Поэтому промышленные реакторы
чаще проектируются как адиабатическими или
политропическими.
При работе реактора в политропическом и
изотермическом режимах имеет место теплообмен с
окружающей средой. Регулируя этот теплообмен, можно
приблизить температурный режим реактора к
оптимальному.

4.

При адиабатическом режиме работы реактора
теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому
для создания оптимального температурного режима
применяют несколько последовательно соединенных
реакторов и после каждого из них предусматривают
нагревание (эндотермические реакции) или
охлаждение (экзотермические реакции) реакционной
смеси.
На рис. в качестве примера показаны схемы оформления
необратимой эндотермической реакции
A→R–Q
в реакторах вытеснения и смешения, куда поступают подогретые
исходные реагенты. По мере протекания реакции температура
реакционной смеси и концентрация исходного реагента в ней
снижаются; соответственно снижается и скорость процесса.

5.

6.

Если процесс осуществляют в нескольких
последовательно
соединенных
реакторах,
после
которых
реакционная
смесь
дополнительно нагревается (рис., в и г),
скорость процесса более высокая, чем без
дополнительного подогрева смеси. При таком
оформлении процесса на каждой стадии
создается адиабатический режим, а в целом
режим приближается к политропическому и
тем в большей степени, чем больше число
стадий.
Такое
оформление
считается
оптимальным для данного примера.

7.

В тех случаях, когда при проведении
необратимых экзотермических реакций
количество тепла, выделяющегося в результате
реакции, достаточно для нагревания исходных
реагентов до температуры начала процесса,
создают условия теплообмена, обеспечивающие
подогрев поступающих исходных реагентов за
счет тепла реакции. Если при этом исключается
необходимость подвода тепла извне, процесс
называют автотермическим .
Схема автотермического потока приведена
в лекции связи в ХТС.

8.

1 – теплообменник; 2 – реактор

9.

Обратимые экзотермические реакции
Согласно
принципу
Лейтиса
для
обратимые
экзотермические реакции необходимо начинать при
высокой температуре, а затем температуру снижать.
В этом случае оптимальной является не какая-то одна
температура, а температурная последовательность:
процесс необходимо приблизить к линии
оптимальных температур (ЛОТ), т.е. начинать при
высокой температуре, а затем, по мере увеличения X
(степени превращения), температуру необходимо
снижать. Так как процесс непрерывный, то необходимо
использовать секционирование либо каскад реакторов.

10.

Существует несколько практически применяемых на практике
приемов, обеспечивающих достижение оптимального
температурного режима.
В одном случае процесс проводят в несколько стадий,
поддерживая на каждой стадии адиабатический режим и
охлаждая реакционную смесь после каждой стадии.
Во втором случае тепло от реакционной смеси отводят
непрерывно по мере выделения его в процессе реакции.
Схемы оформления экзотермическихобратимых реакций
(A ⇄ R + Q):
а, б – каскады реакторов идеального вытеснения и смешения;
в, г – схемы с промежуточным вводом холодных исходных
реагентов;
д – трубчатый реактор вытеснения с непрерывным отводом
тепла

11.

12.

На рис. а показан каскад реакторов вытеснения с
промежуточным теплообменом между горячей реакционной
смесью и холодными исходными реагентами. Схема
построена таким образом, что на подогрев может подаваться
регулируемое количество исходных реагентов. Это позволяет
изменять в необходимых пределах температуру реакционной
смеси на входе в каждый реактор. В каждом реакторе наблюдается адиабатический разогрев (линии I – III), а в
теплообменниках происходит охлаждение реакционной
смеси (рис а: понижение температуры реакционной смеси
показано в виде линий, параллельных оси абсцисс).
На рис. б изображен каскад реакторов смешения и график
зависимости X = f (T), носящей ступенчатый характер,
поскольку в реакторе смешения изменение температуры
происходит скачкообразно.

13.

Схемы, показанные на рис. в и г, отличаются
промежуточным вводом холодных реагентов. При этом
охлаждение реакционной смеси между ступенями каскада
сопровождается не только изменением температуры, но и
изменением ее состава (т.е. снижением концентрации
исходного реагента и степени превращения). Достоинство
такой схемы оформления процесса состоит в ее простоте,
обусловленной отсутствием теплообменников.
Недостаток схемы заключается в том, что в результате
промежуточного добавления исходных реагентов (для
которых Х(А )= 0) снижается степень превращения с Х1 до
Х′1, а X2 до X′2 и т.д. (рис. в, г). Поэтому для достижения
заданной конечной степени превращения требуется
большее общее время пребывания реагентов в каскаде,
чем при работе по схемам, показанным на рис., а и б.

14.

На рис. д изображен реактор идеального вытеснения с теплообменом по всей длине его реакционной зоны. Холодные
реагенты поступают в межтрубное пространство, по мере
продвижения нагреваются от Т0 до Т1 и входят в реактор
(центральную трубу). Вначале в реакторе температура быстро
повышается за счет большой скорости процесса, обусловленной
высокой концентрацией исходных реагентов. В этих условиях
скорость выделения тепла превышает скорость отвода тепла.
По мере увеличения ХА и уменьшения концентрации исходных
реагентов скорость реакции снижается и соответственно
понижается температура реакционной смеси.
Этим объясняется сложный характер кривой XA = f (T). Вначале
эта кривая располагается вблизи адиабаты (рис.д, пунктирная
линия), затем выходит вправо от ЛОТ, а в конце процесса
смещается влево от ЛОТ за счет интенсивного теплообмена в
этой части реактора.

15.

Обратимые эндотермические реакции
Повышение температуры проведения обратимой
эндотермической реакции приводит одновременно
к росту k1и увеличению равновесной степени
превращения хА.
Следовательно, при фиксированной степени
превращения хА скорость обратимой
эндотермической реакции с ростом температуры
монотонно увеличивается.
Поэтому подход к разработке оптимального
температурного режима этих реакций будет таким
же, как и для необратимых эндотермических
процессов.