Тепловая устойчивость химических реакторов

Под устойчивым тепловым режимом реактора подразумевается режим, при котором система может самопроизвольно вернуться в исходное состояние при наличии каких-то возмущений (изменение температуры, реагентов, среды и т. д.).

Рассмотрим устойчивый термодинамический режим реактора на примере реакции:

A→B + Q

Реакция экзотермическая, первого порядка, без катализатора, необратимая, без изменения молей.

Рассмотрим этот режим для адиабатического реактора. Для него можно записать следующее уравнение теплового баланса:

,

где Qr количество энергии, выделившегося в ходе реакции (приход тепла); Qконв. - конвективный унос тепла с продуктами реакции (расход тепла).

,

(11)

Обе части уравнения характеризуют изменение тепла в адиабатическом реакторе в зависимости от степени превращения. При этом устойчивый тепловой режим будет соответствовать равенству прихода и расхода тепла.

На основании уравнения (11) построим графические зависимости прихода и расхода тепла в зависимости от температуры.

 

 

Для прихода Для расхода

XA=1
Qr
T0
T


α
Qкон
T0
T
tgα=

 

 

Совместив эти графические зависимости на одном рисунке, при этом точки пересечения этих линий будут соответствовать приходу и расходу тепла, а значит, будут соответствовать устойчивой работе реактора.

 

Qрасх
Qпр
L
Q
T0
T
T1
M
N
L
Q
T0
T
TN
N
Q
T0
T

 

 


1) 2) 3)

1) В этом случае реактор работает в устойчивом тепловом режиме. Например, если T0 возрастает, то изменяется соотношение между расходом и приходом тепла, т. к. расход тепла больше прихода, то будет происходить охлаждение реакционной массы и система самопроизвольно вернется в точку L. Однако, случаю этому случаю соответствует низкая степень превращения XA и, следовательно, реактор будет работать в неоптимальном режиме;

2) Соответствует неустойчивому и неоптимальному режиму;

3) Соответствует устойчивому и оптимальному режиму.

Для перевода системы из неоптимального в оптимальный режим используют следующие приемы:

1) повышение T0: 2) изменить α (повышение ):

 

L
T0
N
Q
T0
T
L
T0
N
Q
T

 


3) изменение времени пребывания в реакторе:

Q
XA
L
T0
N
T