Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах

Оптимальный температурный режим и способы его осуществления в промышленных реакторах

Температурный (тепловой) режим проведения химического процесса, обеспечивающий экономически целесообразную макси­мальную производительность единицы объема реактора (интен­сивность) по целевому продукту, называют оптимальным.

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. Рассмотрим поэтому, как влияет тип кинетического уравнения на выбор температурного режима.

Простые необратимые реакции.

У равнение скорости необрати­мых экзо- и эндотермических реакций можно записать в виде ,

(1)

Например, для реакции первого порядка

(2)

Скорость химической реакции является функцией нескольких переменных: температуры и степеней превращения реагентов (или их концентраций). С ростом температуры константа скорости ре­акции в соответствии с уравнением Аррениуса монотонно возрас­тает. Из уравнений (1) и (2) видно, что принципиальных ограничений повышения температуры с целью увеличения скоро­сти необратимых реакций нет. 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 из-за увеличения степени превращения, так и из-за уменьшения температуры. Более разумно проводить эндотермические процессы в реакторах с подводом теплоты (изо­термических или в 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 вследствие роста производительности реактора и возрастания расходов на поддержание высокой температуры.

Для необратимых экзотермических реакций рост степени пре­вращения сопровождается выделением теплоты, и, следовательно, в адиабатическом режиме это приведет к возрастанию температу­ры реакционной смеси. Уменьшение скорости реакции вследствие увеличения степени превращения будет частично компенсироваться ростом константы скорости реакции с возрастанием 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.

Обратимые химические реакции.

Проанализируем условия обеспечения оптимального температурного режима обратимых реакций на примере обратимой реакции первого порядка А → R. Скорость такой реакции

(3)

или [см. уравнение (8.20)]

(4)

С одной стороны, как и скорость необратимой реакции [см. выражение (2)], она зависит от константы скорости k₁ и глу­бины химического превращения х_A, а с другой — определяется сте­пенью приближения реакционной системы к состоянию хими­ческого равновесия и значением предельно достижимой степени превращения в равновесных условиях x_A,e. Характер изменения скорости с ростом температуры будет разным для эндо- и экзотер­мических реакций.

Повышение температуры проведения обратимой эндотерми­ческой реакции приводит одновременно к росту k₁ и увеличению равновесной степени превращения х_A,e. Следовательно, при фик­сированной степени превращения x_A скорость обратимой эндотер­мической реакции с ростом температуры монотонно увеличивает­ся. Поэтому подход к разработке оптимального температурного режима этих реакций будет таким же, как и для необратимых эн­дотермических процессов.

Иначе обстоит дело с обратимыми экзотермическими реакци­ями. Так как скорость реакции— функция нескольких перемен­ных (по меньшей мере, двух— Т и x_A),то для анализа этой функ­ции удобно использовать ее сечение при постоянстве всех переменных, кроме одной.

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 конструкции на кожухотрубные теплообменники. В этих аппаратах трубное про­странство представляет собой собственно реактор, в котором реа­генты движутся и режиме вытеснения, а по межтрубному простран­ству проходит теплоноситель, например топочные газы. Трубчатый реактор для проведения каталитических реакций, обогреваемый топочными газами, применяют, в частности, для паро­вой конверсии природного газа. Аналогичную конструкцию имеет ретортная печь для синтеза бутадиена из этилового спирта, в которой

катализатор вместо труб располагают в ретортах — узких каналах с прямоугольным сечением. В таких реакторах ширина попереч­ного сечения каналов, по которым движется реакционная смесь, должна быть невелика, чтобы получить достаточно равномерное распределение температуры по сечению. Так как в реальных реак­торах гидродинамический режим отклоняется от режима идеаль­ного вытеснения, при котором в любом поперечном сечении ус­ловия выровнены, то температура в центре канала отличается от температуры у стенки. При проведении каталитических про­цессов можно наносить катализатор только на внутреннюю повер­хность труб, что обеспечит примерно одинаковую температуру по всему реактору.

Гомогенные эндотермические реакции можно также осуществ­лять в реакторах с интенсивным перемешиванием и теплообменной поверхностью, 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 экзотермических процессов микробиологи­ческого синтеза повышение температуры ограничено жизнестой­костью микроорганизмов. Поэтому такие процессы целесообраз­но осуществлять в реакторах с отводом теплоты, а во избежание 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.

На практике обычно считают, что степень прибли­жения клинии оптимальных температур удовлетворительная, если для реактора выполняется условие:

Сравнительно простым способом приближения к оптимальному режиму является проведение процесса в многосекционном реакто­ре вытеснения, в котором каждая секция работает в адиабатическом режиме, и между секциями имеется промежуточное охлаждение.

Возможным вариантом осуществления процесса по оптималь­ному температурному режиму является и применение каскада ре­акторов смешения, в каждом из которых поддерживается своя темпе­ратура благодаря введению теплообменных поверхностей (рис.1,а). Задавшись температурой Т₁, а следовательно, и степенью превра­щения в первой секции x_A,e, соответствующей верхней границе области оптимальных температур, можно рассчитать необходимый объем первой секции, рассматривая ее как реактор, работающий при постоянной температуре. Аналогично могут быть рассчитаны вторая и третья секции. Уравнение теплового баланса для таких реакторов позволит определить необходимую поверхность тепло­обмена и расход хладагента для полдержания в секциях темпера­тур, заданных рабочей линией процесса (рис. 1,б) .

Для каждого из рассмотренных вариантов 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.

Рис. 1. Схема каскада реакторов идеального смешения с отводом теплоты в секциях каскада (а) и зависимости x_A(Т), характеризующие процесс в нем (б).

1 – линии, отвечающие условию w_rA = 0.8w_rA,opt;

2 – равновесная кривая; 3 – рабочая линия; штриховая линия – линия оптимальных температур.