Создание оптимального теплового режима в реакторах

Линия оптимальных температур (ЛОТ) при проведении обратимых экзотермических реакций. Конструктивные решения, позволяющие вести процесс по ЛОТ

СОЗДАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА В РЕАКТОРАХ

Как указывалось ранее, температура является одним из самых мощных факторов, влияющих на скорость химических процессов, поэтому на практике устанавливают оптимальный температурный режим каждого химического процесса с учетом условий равновесия протекающих реакций, кинетических факторов, селективности по целевому продукту, термостойкости аппаратуры и т.д. При работе реактора в политропическом и изотермическом режимах имеет место теплообмен с окружающей средой. Регулируя этот теплообмен, можно приблизить температурный режим реактора к оптимальному.

При адиабатическом режиме работы реактора теплообмен с окружающей средой отсутствует, поэтому для создания оптимального температурного режима применяют несколько последовательно соединенных реакторов и после каждого из них предусматривают нагревание (эндотермические реакции) или охлаждение (экзотермические реакции) реакционной смеси. На рисунке в качестве примера показаны схемы оформления эндотермической реакции A → R – Q в реакторах вытеснения и смешения, куда поступают подогретые исходные реагенты. По мере протекания реакции температура реакционной смеси и концентрация исходного реагента в ней снижаются; соответственно снижается и скорость процесса. Если процесс осуществляют в нескольких последовательно соединенных реакторах, после которых реакционная смесь дополнительно нагревается (рисунок под в и г), скорость процесса более высокая, чем без дополнительного подогрева смеси. При таком оформлении процесса на каждой стадии создается адиабатический режим, а в целом режим приближается к политропическому и тем в большей степени, чем больше число стадий. В тех случаях, когда при проведении экзотермических реакций количество тепла, выделяющегося в результате реакции, достаточно для нагревания исходных реагентов до температуры начала процесса, создают условия теплообмена, обеспечивающие подогрев поступающих исходных реагентов за счет тепла реакции. Если при этом исключается необходимость подвода тепла извне, процесс называют автотермическим. Труднее создать определенный температурный режим при проведении обратимых экзотермических реакций. В этом случае оптимальной является не какая-то одна температура, а температурная последовательность: процесс необходимо приблизить к линии оптимальных температур (ЛОТ), то есть начинать при высокой температуре, а затем, по мере увеличения X, температуру необходимо снижать.

Существует несколько применяемых на практике приемов, обеспечивающих достижение оптимального температурного режима. В одном случае процесс проводят в несколько стадий, поддерживая на каждой стадии адиабатический режим и охлаждая реакционную смесь после каждой стадии. Во втором случае тепло от реакционной смеси отводят непрерывно по мере выделения его в процессе реакции. На рисунке под а) показан каскад реакторов вытеснения с промежуточным теплообменом между горячей реакционной смесью и холодными исходными реагентами. Схема построена таким образом, что на подогрев может подаваться регулируемое количество исходных реагентов. Это позволяет изменять в необходимых пределах температуру реакционной смеси на входе в каждый реактор. В каждом реакторе наблюдается адиабатический разогрев (линии I – III), а в теплообменниках происходит охлаждение реакционной смеси (понижение температуры реакционной смеси показано в виде линий, параллельных оси абсцисс). На рисунке под б) изображен каскад реакторов смешения и график зависимости X = f (T), носящей ступенчатый характер, поскольку в реакторе смешения изменение температуры происходит скачкообразно.

Схемы, показанные на рисунке под в и г, отличаются промежуточным вводом холодных реагентов. При этом охлаждение реакционной смеси между ступенями каскада сопровождается не только изменением температуры,

но и изменением ее состава (т.е. снижением концентрации исходного реагента и степени превращения). Достоинство такой схемы оформления процесса состоит в ее простоте, обусловленной отсутствием теплообменников. Недостаток схемы заключается в том, что в результате промежуточного добавления исходных реагентов (для которых ХА = 0) снижается степень превращения с Х1 до Х′1, а X2 до X′2 и т.д. (рис. 3.15, в, г). Поэтому для достижения заданной конечной степени превращения требуется большее общее время пребывания реагентов в каскаде, чем при работе по схемам, показанным на рисунке под а и б. На рисунке под д изображен реактор идеального вытеснения с теплообменом по всей длине его реакционной зоны. Холодные реагенты поступают в межтрубное пространство, по мере продвижения нагреваются от Т0 до Т1 и входят в реактор (центральную трубу). Вначале в реакторе температура быстро повышается за счет большой скорости процесса, обусловленной высокой концентрацией исходных реагентов. В этих условиях скорость выделения тепла превышает скорость отвода тепла. По мере увеличения ХА и уменьшения концентрации исходных реагентов скорость реакции снижается и соответственно понижается температура реакционной смеси. Этим объясняется сложный характер кривой XA = f (T). Вначале эта кривая располагается вблизи адиабаты (на рисунке под д, пунктирная линия), затем выходит вправо от ЛОТ, а в конце процесса смещается влево от ЛОТ за счет

интенсивного теплообмена в этой части реактора. Во всех рассматриваемых случаях фактический температурный режим приближается к ЛОТ и тем в большей степени, чем больше число ступеней в каскаде (на рисунке под а – г). Кроме того, в схемах на рисунке под, а, б, д обеспечивается автотермичность процесса.

 

Подход к разработке оптимального температурного режима может

быть различным в зависимости от типа химической реакции. Очевидно,

что максимальная интенсивность реактора будет достигнута при проведении

процесса с максимально возможной скоростью.

 

Простые необратимые реакции.

  

С ростом степени превращения реагентов скорость реакции падает. Для компенсации этого уменьшения целесообразно увеличивать температуру. Эндотермическая реакция сопровождается поглощением теплоты.

 

Следовательно, такие реакции невыгодно проводить в адиабатических условиях, так как по мере протекания реакции ее скорость будет падать как за счет увеличения степени превращения, так и за счет уменьшения температуры. Более разумно проводить эндотермические процессы в реакторах с подводом теплоты (изотермических или реакторах с промежуточным тепловым режимом), поддерживая температуру- максимально допустимую по конструкционным соображениям. Необходимо при этом дополнительно провести оптимизацию температурного режима, сопоставив экономические показатели: увеличение прибыли за счет роста производительности реактора и увеличение расходов на поддержание высокой температуры.

Для необратимых экзотермических реакций рост степени превращения сопровождается выделением теплоты, и, следовательно, в адиабатическом

режиме это приведет к росту температуры реакционной смеси. Уменьшение скорости реакции вследствие увеличения степени превращения будет частично компенсироваться увеличением константы скорости реакции с ростом температуры. Проводя такую реакцию в проточном адиабатическом реакторе, можно обеспечить высокую скорость химической реакции и высокую производительность реактора в автотермическом режиме без использования посторонних источников теплоты. При этом теплота реакционной смеси, выходящей из реактора, служит для нагрева исходных реагентов на входе в реактор.

Проведение процесса по линии оптимальных температур предполагает,

что по мере увеличения степени превращения температуру в реакторе нужно уменьшать, чтобы скорость реакции всегда оставалась максимально возможной.

 

Способы осуществления оптимального температурного режима.

 

Решение практической задачи проведения процесса в промышленном реакторе в соответствии с оптимальным температурным режимом зависит

от многих факторов и прежде всего от теплового эффекта и кинетики

реакции.

Для эндотермических (обратимых и необратимых) реакций целесообразно химический процесс проводить в реакторах с подводом теплоты, причем желательно обеспечить достаточно равномерное распределение температуры по объему реактора Распространенным типом аппаратов для проведения эндотермических реакций являются трубчатые

реакторы, похожие по своей конструкции на кожухотрубные теплообменники. В этих аппаратах трубное пространство представляет собой

собственно реактор, в котором реагенты движутся в режиме вытеснения, а по межтрубному пространству проходит теплоноситель,

например топочные газы.

Гомогенные эндотермические реакции можно также проводить в реакторах с интенсивным перемешиванием и поверхностью теплообмена,

так как и в этом случае будет обеспечено равномерное распределение

температуры по реактору.

Экзотермические реакции проводят, как правило, либо в адиабатических условиях, либо в аппаратах с отводом теплоты. При проведении необратимых экзотермических реакций рост температуры

приводит однозначно лишь к увеличению скорости процесса. Для снижения энергетических затрат такие реакции выгодно проводить в автотермическом режиме, когда требуемая температура обеспечивается предпочтительно за счет выделяющейся теплоты химическом реакции без подвода энергии извне. Существуют две предельные температуры (нижний и верхний температурный пределы), между которыми целесообразно проводить процесс. Нижним пределом является температура, при которой скорость

экзотермической реакции (а следовательно, и скорость выделения теплоты)

достаточна для обеспечения автотермического режима. Ниже этой температуры скорость тепловыделения меньше, чем скорость отвода теплоты с реакционным потоком, выходящим из реактора, и температура в проточном адиабатическом аппарате будет падать. Верхний температурный предел связан либо с побочными процессами (побочными химическими реакциями или побочными физическими явлениями), а также с жаропрочностью конструкционных материалов. Например, при проведении гетерогенных процессов обжига зернистого твердого материала повышение температуры выше некоторого предела приводит к спеканию твердых частиц, а следовательно, к увеличению времени их полного превращения и уменьшению производительности реактора. Часто рост температуры ограничен прочностью конструкционных материалов и нецелесообразностью применения дорогостоящих жаропрочных материалов. При проведении экзотермических процессов микробиологического синтеза повышение температуры ограничено жизнестойкостью микроорганизмов. Поэтому такие процессы целесообразно осуществлять в реакторах с отводом теплоты, а для того чтобы избежать локальных перегревов, лучше использовать реакторы, гидродинамический режим, в которых приближается к идеальному смешению. Интенсивное перемешивание в таких процессах не только обеспечивает равномерное распределение температуры, но и интенсифицирует стадии массопередачи кислорода из газовой фазы в жидкую. Обратимые экзотермические реакции нужно проводить в соответствии с линией оптимальных температур, т. е. понижая температуру в

аппарате по мере роста степени превращения реагентов. Такой режим неосуществим ни в адиабатических, ни в изотермических реакторах: при адиабатическом режиме рост степени превращения сопровождается выделением теплоты и разогревом, а не охлаждением реакционной смеси: при изотермическом режиме температура остается постоянной и не меняется с ростом степени превращения. 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 нагревать 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, чем количество теплоты, выделяющееся в ходе реакции. При этом следует иметь в виду, что по пере 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.

Сравнительно простым способом приближения к оптимальному температурному режиму является проведение процесса в многосекционном

реакторе вытеснения, в котором каждая секция работает в адиабатическом режиме, и между секциями имеется промежуточное охлаждение. Объем секции должен быть таким, чтобы на выходе из нее достигаюсь степень превращения, соответствующая пересечению адиабаты с верхней границей области оптимальных температур. Необходимое значение объема (или среднего времени пребывания) можно найти из решения системы уравнений материального и теплового балансов такого реактора.

Охлаждение реагентов между секциями адиабатического реактора

можно вести не только за счет косвенного теплообмена, но и путем введения свежей холодной реакционной смеси. В общем случае добавление к уже частично прореагировавшей смеси свежих реагентов изменяет концентрацию и может привести к смещению равновесия. Положение линии оптимальных температур зависит и от положения равновесной кривой, следовательно, изменение равновесного состава несколько сместит и положение линии оптимальных температур. Возможным вариантом осуществления процесса по оптимальному температурному режиму является и применение каскада реакторов смешения, в каждом из которых поддерживается своя температура за счет введения теплообменных поверхностей.

Возможна дальнейшая оптимизация процесса — расчет оптимальных объемов секций, начальных температур, объемных расходов в байпасных линиях и т. д. При такой оптимизации стремятся получить наиболее целесообразные экономические показатели процесса.

Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях. В последние годы исследователи, занимающиеся катализом, уделяют большое

внимание нестационарным каталитическим процессам. В качестве причин, вызывающих интерес к этим явлениям, можно назвать, во-первых, то, что многие каталитические процессы нестационарны по своей природе под воздействием реакционной среды во времени происходит изменение каталитической активности. Во-вторых, оказалось, что в ряде случаев искусственно созданная нестационарность позволяет конструктивно более просто решить вопросы создания оптимальных технологических режимов

Стационарный режим характеризуется постоянством во времени параметров процесса, в частности неизменными остаются состав и температура газовой фазы в реакторе, а также концентрации всех промежуточных соединений на поверхности. В этом случае и скорость каталитического процесса стационарна, она полностью определяется составом реакционной смеси в газовой фазе и температурой катализатора.