Файл: Пинаев Г.Ф. Основы теории химико-технологических процессов учеб. пособие.pdf

этом среднее время пребывания равно площади прямоуголь­ ника f'lgh. Если бы 1-ю ступень осуществляли в адиабатиче­ ском реакторе идеального вытеснения, то время реакции рав­

ного вытеснения потребовало в этих условиях большего вре­ мени и свидетельствовало бы о меньшей интенсивности про­ цесса по сравнению с реакцией в реакторе идеального сме­ шения.

Вторую ступень процесса, начиная от точки /' и далее вправо до некоторой точки е' с проекцией на оси абсцисс т, целесообразно осуществлять в адиабатическом реакторе иде­ ального вытеснения. Время реакции при этом равно площади фигуры f'lme'. Если бы 2-ю ступень осуществляли в реакторе идеального смешения, то время реакции оказалось бы боль­

построения каскада адиабатических реакторов из реакторов идеального смешения и идеального вытеснения, но все они характеризуются меньшей интенсивностью, чем рассмотрен­ ный ранее. Следовательно, каскад, состоящий из адиабати­ ческого реактора идеального смешения на первой по ходу сырья ступени, в которой реализуется режим, заданный ли­ нией T'JQ, и адиабатического реактора идеального вытес­ нения на второй ступени, является оптимальным. Более под­ робно теория таких каскадов рассмотрена К- Денбигом и

О.Левеншпилем.

§Х.8. Устойчивость технологического процесса

вреакторах с теплообменником

Вопросы устойчивой работы химических реакторов имеют важное практическое значение, так как это влияет на эконо­ мичность, а в некоторых случаях и на безопасность осуществ­ ления химической реакции в промышленных условиях.

Устойчивым состоянием функциональной системы является такое, когда при случайном отклонении параметров процесса от заданных система самопроизвольно возвращается к пер­ воначальному состоянию. Состояние системы неустойчиво, если даже при бесконечно малом случайном отклонении па­ раметров процесса от заданных система не возвращается к первоначальному состоянию.

Вопрос об устойчивости технологического процесса в ре­ акторе возникает при анализе неадиабатических реакторов, т. е. реакторов, работающих совместно с теплообменником. Предположим, что в реакторе идеального смешения осуще­ ствляется экзотермическая реакция и назначение теплообмен-

270

ника — снижать температуру процесса путем охлаждения потока реактантов через стенку.

Записываем уравнение теплового баланса процесса, отне­ сенное к единичному количеству реактантов и к единице времени:

ном. Решение системы уравнений (Х.43) отыскивается из условия Ѵ\ = Ѵ2 как пересечение линий І)\ и U2. Очевидно, при определенных условиях можно получить конфигурацию с тремя точками пересечения 1, 2 и 3 (рис. Х.14). Это означает, что (Х.42) имеет три различных решения, т. е. рассматривае­ мый реактор может при одних входных параметрах потока

271

реактантов и хладоагента иметь три различных состояния вы­ ходного потока.

Однако не все из трех возможных состояний реактора устойчивы. Чтобы убедиться в этом, допустим, что реализует­ ся состояние, отвечающее точке 2 при температуре Т2 и воз­ мущение вызывает повышение температуры до Т'2. Как толь­ ко возмущающее воздействие исчезает, система стремится к

подъем температуры от Т3 до Т'3 в большей мере увеличивает интенсивность теплоотвода U2, чем интенсивность тепловы­

ряет ситуацию в окрестности точки 3, то из устойчивости со­ стояния в точке 3 следует устойчивость состояния в точке /.

Рассмотрим поведение системы при постепенном повыше­ нии температуры, начиная с температуры 7\. Очевидно, устой­ чивое состояние системы заканчивается в точке а и при даль­ нейшем повышении температуры системы скачкообразно пе­ реходит в состояние, изображаемое точкой а'. Понижение температуры системы, находящейся в состоянии, изображае­ мом точкой 3, также вызовет по достижении точки Ь скач­ кообразное изменение температуры и переход в новое состоя­ ние, изображаемое точкой Ь'.

Возможность скачкообразного изменения состояния реак­ тора имеет важное практическое значение, так как внезапное резкое повышение температуры при переходе от низкотемпера­ турного состояния а к высокотемпературному а' может при­ вести к аварии, а переход от высокотемпературного состояния Ъ к низкотемпературному Ь' вызывает затухание реакции.

272

Так как состояния а и b различаются по температуре, то переход от низкотемпературного к высокотемпературному состоянию и обратный переход происходят при различных температурах (гистерезис переходного процесса).

При осуществлении реакции в трубчатых реакторах, ох­ лаждаемых со стенки или снабженных теплообменниками, также возможны два устойчивых стационарных режима — низкотемпературный и высокотемпературный. Однако по­ скольку температура в таких реакторах меняется вдоль оси реактора, то и скачкообразный переход из одного режима в другой может происходить на определенном расстоянии от входа по оси реактора. В этом случае одна часть реактора оказывается «холодной», а другая «горячей», и при дальней­ шем понижении температуры потока на входе реактора или интенсификации темплоотвода длина холодной зоны посте­ пенно растет .и наоіборот. Следовательно, контролируя темпе­ ратуру по длине реактора, в реакторах идеального вытесне­ ния легче заметить приближающееся аварийное состояние режима и предотвратить его, чем в реакторах идеального сме­ шения.

§ Х.9. Конструктивные типы реакторов для осуществления гомогенных реакций

В зависимости от принятого решения реакции осуществ­ ляют либо периодически, либо непрерывно. Кроме того, кон­ струкция реактора может или обеспечивать достаточно ин­ тенсивное перемешивание реактантов или, напротив, предот­ вращать обратное перемешивание. Наконец, реакторы могут быть совмещены с теплообменниками или не иметь последних.

Конструкция реактора периодического действия показана на рис. Х.15.

Реактор представляет собой емкость 1, имеет перемеши­ вающее устройство 2 с приводом 4, водяную или паровую рубашку 6 для подвода или отвода теплоты, а также загру­ зочный 3 и выгрузочный 5 штуцеры. Конструкции и размеры периодических реакторов могут сильно варьировать: объем от нескольких литров до сотен кубометров. Реакторы малого размера, изготовленные из стекла, фарфора или металла, применяются в производстве химреактивов и фармацевтиче­ ских препаратов. К числу периодических реакторов большого объема можно отнести мартеновские печи.

Непрерывно действующие одиночные реакторы идеального смешения, или кубовые реакторы, конструктивно почти не отличаются от реакторов периодического действия и во мно­ гих случаях могут работать в периодическом режиме. Однако довольно часто применяемые в практике ступенчатые реакто-