1) Простые необратимые реакции
Уравнение скорости экзо- и эндотермических реакций можно записать:
(8)
Как видно из уравнения скорость химической реакции является функцией нескольких переменных: температуры, степени превращения реагентов..
Очевидно, что максимальная интенсивность реактора будет обеспеченна при проведении процесса с наибольшей скоростью.
С повышением температуры, В соответствии с уравнением Аррениуса, k монотонно возрастает.
Из уравнения (8) видно, что принципиальных ограничений повышения темпера туры, с целью повышения скорости, необратимых реакций нет. С ростом степени превращения реагента скорость реакции падает, для компенсации этого уменьшения целесообразно повысить температуру.
Эндотермическая реакция сопровождается поглощением энергии теплоты ⇒такие реакции невыгодно проводить в адиабатических условиях, т. к. по мере протекания реакции ее скорость будет уменьшаться за счет снижения температуры и за счет увеличения степени превращения.
Более разумно проводить эндотермические процессы с промежуточными или разовым подводом тепла.
В случае экзотермических реакций рост степени превращения сопровождается выделением теплоты ⇒ в адиабатическом режиме это приводит к росту температуры реакционной смеси.
Уменьшение скорости химической реакции частично компенсируется увеличением константы скорости реакции.
Проводя такую реакцию в адиабатическом режиме можно обеспечить высокую скорость химической реакции и высокую производительность реактора в автотермическом режиме без использования посторонних источников теплоты.
При этом теплота реакционной смеси, выходя из реактора, служит для нагрева исходных реагентов на входе в реактор:
2) Обратимые химические реакции
В случае обратимых экзотермических реакций увеличение температуры будет приводить к возрастанию скорости реакции, однако в соответствии с принципом Ле-Шателье равновесие будет смещаться в сторону исходных реагентов, следовательно такие реакции следует проводить в оптимальных условиях.
Проанализируем условие обеспечения оптимального температурного режима на примере реакции i-ого порядка:
A↔B
Скорость:
,
откуда
(9)
С учетом уравнения (9) получаем:
(10)
Из уравнения (10) видно, что скорость обратимой реакции зависит не только от константы скорости k, но и от равновесной степени превращения x*. С ростом температуры константа скорости k возрастает, а x* уменьшается. Таким образом, наблюдается противоположные влияния температуры на скорость реакции, и ⇒определить оптимальную температуру реакции для обратимой экзотермической реакции.
И процесс будет вблизи линии оптимальных температур (ЛОТ).
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:
XA
L
T0
N
Q
T
