Охарактеризуйте параметрическую чувствительность и тепловую стойкость контактных аппаратов с внутренним теплообменом

Предположим, что температура реакционной смеси на вхо­де в первый слой контактной массы Т₀ немного сни­зилась, тогда соответственно снизится и Т₁; выходящая из слоя реакционная смесь при этой температуре поступает в теплооб­менник и отдает часть своего тепла поступающей исходной смеси. Вследствие снижения значения Т_1нуменьшается нагрев газа в теплообменнике, что приведет к дополнительному сниже­нию Т_1н и т. д. Если снижение величины Т₁ при уменьшении Т₀ достаточно большое, могут создаться условия, при которых ско­рость реакции будет постепенно снижаться и произойдет «зату­хание» процесса вначале в первом слое, а затем и во всем реак­торе. Таким образом, «затухание» связано с неустойчивой ра­ботой реактора, степень этой неустойчивости характеризуется параметрической чувствительностью отдельных слоев и реактора в целом.

Вывод уравнения для параметрической чувствительности, ко­торая в данном случае выражается производной dT_1к/dT_1н (где Т_1н и T _1к— температуры газа на входе в первый слой и на вы­ходе из него, К), может быть сделан исходя из следующих по­ложений. Количество тепла, необходимое для нагревания реак­ционной смеси, поступающей в реактор Q₁, и количество тепла, передаваемого реакционной смесью, выходящей из реактора, поступающей в него смеси в результате теплообмена Q2, выра­жается уравнениями

dQ₁ = VC_pdT_1н

dQ₂ = KFD(T_lн-T_lк

где V, С_р — объем потока реагентов и его теплоемкость; К, F — коэффициент теплопередачи и поверхность теплообмена.

Чтобы обеспечить устойчивую работу реактора, должно со­блюдаться неравенство dQ₁>dQ₂. После подстановки значений имеем

VC_pdT_iн > KFd (T_1к - Г_1н)

или

dT_1к/dT_1н< 1+VCp/KF

Но из теплового баланса следует

VC_p1(T_1к-T_2н) = KFΔT.

где Т_2н — температура газа на входе во второй слой контактной массы.

Для определения параметрической чувствительности реак­тора, соответствующей граничным условиям, рассчитывают ее значение, исходя из заданных значений параметров. Например, для первого реактора каскада эти значения по условию следую­щие: X, Х₀, Т₀. Используя эти данные, по кинетическому урав­нению определяют время τ, необходимое для достижения Х_1, а затем по уравнению адиабаты рассчитывают Т₁.

Полученное таким путем значение dT_1к/dT_lн является пре­дельным, оно определяет границу устойчивой работы реактора; если dT_1к/dT_lн будет меньше этой величины, то реактор имеет запас устойчивости, если - больше, то это указывает на пере­ход режима в неустойчивую область, когда должно произойти «затухание» процесса.

Запас устойчивости может быть увеличен либо повышением Т_1н, либо увеличением τ (до определенного предела).

Оптимальный режим контактного аппарата определяют с учетом предположения о постоянстве температуры как на вхо­де газа в каждый слой во всех его точках, так и в попереч­ном сечении каждого слоя. В действительности это условие не выдерживается и всегда наблюдаются отклонения от средней температуры. Естественно, что такие отклонения приводят к снижению степени превращения в слое и, следовательно, к уменьшению общей степени превращения.

Температура на различных участках контактного отделения зависит главным образом от количества и концентрации посту­пающего газа. Наибольшее влияние на температуру в контакт­ном отделении оказывает концентрация S0₂ в газовой смеси. Чем выше концентрация диоксида серы, тем больше тепла на единицу объема контактного аппарата выделяется в результате реакции. Это тепло расходуется главным образом на нагрева­ние поступающего газа. Для достижения высокой степени пре­вращения концентрация S0₂ должна быть постоянной, иначе изменяется температура в контактном аппарате и, следова­тельно, понижается степень превращения.

Измерение концентрации и температуры газа, поступа­ющего в контактный аппарат, ведут непрерывно с помощью ав­томатических приборов. Поддержание установленной темпера­туры газа на входе в контактные аппараты имеет большое зна­чение, так как при ее снижении нарушается процесс контакти­рования.

Количество газа, поступающего в контактный аппарат, оп­ределяют с помощью измерительных приборов или приближен­но оценивают по величине разрежения до нагнетателя и дав­лению после нее. Однако изменение разрежения и давления может быть значительным не только при увеличении количест­ва газа, но и вследствие засорения аппаратуры, увеличения плотности орошения и т. д. Поэтому при определении количест­ва газа нужно убедиться в исправности всей аппаратуры. Для этого измеряют давление газа после каждого аппарата кон­тактного отделения и определяют сопротивление, создаваемое каждым из них. Оно может возрастать, например, вследствие спекания или засорения контактной массы.

Исправность подогревателя периодически проверяют путем анализа топочных газов, в которых при нормальной работе ап­паратуры не должен присутствовать диоксид серы. При обра­зовании неплотностей в трубах подогревателя S0₂ из межтруб­ного пространства проникает в трубы и попадает вместе с отхо­дящими топочными газами в атмосферу. Соприкасаясь с рас­каленными металлическими стенками аппарата, SO₂ частично превращается в SОз и в отходящих газах появляется характер­ный белый дым.