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
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.
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 ):
3) изменение времени пребывания в реакторе: