Температурная устойчивость адиабатического реактора.

Стационарное состояние объекта называется устойчивым, если незначительное кратковременное внешнее воздействие не приводит к переходу в другое стационарное состояние. Стационарное состояние объекта называется неустойчивым, если незначительное кратковременное внешнее воздействие приводит к переходу в другое стационарное состояние.

Рассмотрим график степени превращения от объема реактора. Из графика видна, что одному и тому же объему реактора соответствует 3 степени превращения — множественность стационарных состояний.

 

ZNi,P,Vp,VNS=const. Графически решим систему материального и теплового баланса для адиабатического реактора полного смешения. Зависимость проходит через экстремум, форма зависимости определяется через скорость процесса. С ростом температуры константа скорости растет, а движущая сила падает, тангенс угла наклона к оси температур определяется адиабатическим коэффициентом.

 

1-область низкотемпературных стационарных состояний;

3- область высокотемпературных стационарных состояний.

Выгодна 2-ая зависимость- зона множественных стационарных состояний.

 

Температура выхода больше чем температура входа, так как реакция экзотермическая, отсюда это уравнение показывает величину удельного конвективного теплоотвода из реакционной зоны.

q- удельный теплоотвод реакционной зоны.

 

qх.р.- удельное количество теплоты, которое выделяется в результате протекания химической реакции. В точке стационарного состояния наблюдается равенство тепловыделения в результате химической реакции и теплоотвода из реакционной зоны.

Проанализируем устойчивость точек.

1. Адиабата, выраженная удельным теплоотводом.

Если произошло кратковременное незначительное увеличение температуры, то наблюдаем превышение теплоотвода над тепловыделением и в результате реактор сам себя охлаждает. Если произошло кратковременное незначительное уменьшение температуры, то наблюдается превышение тепловыделения над теплоотводом и система сама себя разогревает. Точка А – точка устойчивого стационарного состояния.

 

 

2. Если произошло кратковременное незначительное увеличение температуры, то

наблюдаем превышение тепловыделения над теплоотводом и реакционная система разогревается, в результате возможно спекание катализатора с последующим понижением активности и будет необходима остановка реактора. Если произошло кратковременное незначительное уменьшение температуры, то наблюдается превышение теплоотвода над тепловыделением, тогда реактор охлаждается и переходит в режим остановки. Точка В – точка неустойчивого стационарного состояния, в этом режиме работать нельзя.

 

3. Если произошло кратковременное незначительное увеличение температуры, то

наблюдаем превышение теплоотвода над тепловыделением и в результате реактор сам себя охлаждает. Если произошло кратковременное незначительное уменьшение температуры, то наблюдается превышение тепловыделения над теплоотводом и система сама себя разогревает. Точка С – точка устойчивого стационарного состояния.

 

Температура входа обусловлена температурой зажигания катализатора:

1). Экстенсивный путь запуска — достраивают пусковой подогреватель и на время пуска поднимают температуру входящей смеси, затем снижают мощность пускового подогревателя, пока реактор не перейдет в стационарное устойчивое состояние.

 

2). Интенсивный метод — запуск реактора осуществляется на обедненной реакционной смеси, то есть мольная доля ключевого компонента мала, в результате величина адиабатического коэффициента немногим отличается от 0 (адиабата практически вертикальная линия), достигается почти изотермический режим и смещается материальный баланс и существует только одна стационарная точка. Затем постепенно увеличивают концентрацию и материальный баланс постепенно возвращается в исходное состояние.

 

 

 

Оптимизация функционирования единичного реактора по экономическим критериям.

В качестве экономических критериев используется приведённая себестоимость-СС.

 

З_р- затраты на изготовление и обслуживание реактора.

 

V_p- объём реактора.

N_p- стоимость единицы реакционного объёма_.

В значение N_p входит стоимость корпуса реактора и стоимость катализатора.

З_ц- затраты на создание условий работы реактора.

 

З_т- затраты на обеспечение температурного режима.

З_Д- затраты на создание давления.

З_К -затраты на транспорт реагентов.

З_ц различимы для эндотермических и экзотермических реакций. Если реакция эндотермическая, то З_ц складываются из З_т, З_Д, З_К.

Для экзотермической реакции затраты на обеспечение температурного режима представляют собой разность м6ежду затратами на нагрев реакционной смеси и выгоды от использования вторичных энергоресурсов.

З_п- затраты на переработку непрореагировавших исходных реагентов(считается по наиболее дорогому компаненту).

 

N_n-норма затрат на переработку.

Варианты переработки непрореагировавшего сырья:

1.Строить ещё один реактор.

2.Искать пути использования реагентов.

Рассмотрим зависимость СС от объёма реактора и степени превращения для обратимой эндотермической реакции.

 

Существует величина объёма реактора, при которой себестоимость будет минимальна и этот объём реактора будет принят для проектирования.

 

Существует степень превращения, отличная от единицы, при которой себестоимость будет минимальна. Следовательно при проведении реакции в единичном реакторе проводить процесс до полного превращения ключевого компонента экономически нецелесообразно.

 

 

Адиабатический реактор Изотермический реактор

 

Следовательно, для полного превращения ключевого компонента необходимо использовать

многосекционные реактора.

Исторически идея использования многосекционных реакторов возникла при решении задачи проведения обратимых экзотермических реакций по линии оптимальных температур(ЛОТ).

Известно, что для обратимых экзотермических реакций по мере увеличения степени превращения значение оптимальной температуры уменьшается.

Соответственно, какой бы мы режим не использовали, то уравнение теплового баланса и линия оптимальных температур пересекаются только в одной точке. То есть, подавляющий промежуток времени реактор работает не в оптимальном температурном режиме.

При использовании реактора, близкого к режиму идеального вытеснения, программирование температурного режима осложняется необходимостью отвода количества теплоты на различных участках реактора.

Появилась идея: дать реактору разогреться по адиабате, а потом начать отводить теплоту.

Осуществить процесс строго по линии оптимальных температур чрезвычайно сложно. Это можно было бы сделать в реакторе с теплообменной поверхностью, работающем в режиме вытеснения, при условии, что количество теплоты, отводимое через стенку реактора, будет разным на различных участках аппарата. Реагенты перед началом реакции следовало бы нагреть до высокой температуры, а сразу же после их поступления в аппарат предусмотреть отвод теплоты. Если реактор разбить по длине на несколько участков, то, чтобы обеспечить движение по линии оптимальных температур, на каждом из них количество отводимой теплоты должно быть немного больше количества теплоты, выделяющейся в ходе реакции. Следует иметь в виду, что по мере увеличения степени превращения падает скорость реакции и, следовательно, уменьшается скорость тепловыделения. Поэтому на участках реактора, где реакция завершается, нужно отводить меньше теплоты, чем на начальных участках.

Некоторым приближением к линии оптимальных температур является проведение процесса в реакторе вытеснения, находящемся внутри теплообменной трубки, по которой проходит холодный реагент. Такая конструкция может быть применена, например, в колоннах синтеза аммиака. Рабочая линия процесса, характеризующая изменение температуры с ростом степени превращения (кривая 3) на участке BCFD, близка к линии оптимальных температур (штриховая линия). Однако указанные выше требования по условиям теплообмена в таком реакторе соблюдаются слабо. Действительно, на участке BC скорость тепловыделения максимальна и нужно отводить много теплоты. В то же время скорость теплоотвода здесь мала, так как невелика движущая сила теплопередачи. На участке FD теплоты выделяется сравнительно немного, но по наружной трубке идёт холодный газ, разность температур велика и скорость теплоотвода можно выше необходимой. В какой-то степени этот недостаток можно устранить в аналогичных реакторах с двойными теплообменными рубками.

Вообще же на практике считают, что степень приближения к линии оптимальных температур удовлетворительная, если скорость процесса в реакторе больше или равна 80% от максимального значения скорости реакции. Соответственно появляется область оптимальных температур (ООТ).

В результате нужно увеличить число теплообменных трубок.

Используют самые простые адиабатические реактора, разделённые на секции. На практике число секций колеблется от двух до пяти.