Реакторы с различным тепловым режимом

Химические реакторы по тепловому режиму классифицируются по трем основным признакам на адиабатические, изотермические и политропные.

Основой для расчета реакторов с учетом теплового режима служит уравнение теплового баланса, составленного обычно на единицу времени. В общем виде это уравнение можно записать следующим образом:

.

(4.14)

Для экзотермической реакции приход и расход тепла будет равен

,	(4.15)
,	(4.16)

где Q _реаг – количество тепла, вносимого в реактор с исходными веществами; Q _тх – количество тепла, выделяющегося при химической реакции; Q _нак – количество тепла, накапливающегося в реакторе; Q _прод – количество тепла, уносимого продуктами; Q_F – количество тепла, выводимого теплообменом.

Подставив эти значения в уравнение (4.14), находим

,

(4.17)

где Q _конв = Q _прод - Q _реаг (здесь Q _конв – обозначает количество тепла, выносимого конвективным потоком).

уравнение теплового баланса в общем виде:

.

(4.14)

Для экзотермической реакции приход и расход тепла будет равен

,	(4.15)
,	(4.16)

где Q _реаг – количество тепла, вносимого в реактор с исходными веществами; Q _тх – количество тепла, выделяющегося при химической реакции; Q _нак – количество тепла, накапливающегося в реакторе; Q _прод – количество тепла, уносимого продуктами; Q_F – количество тепла, выводимого теплообменом.

Слайд 4.14 до далее слайд 4.15:

Подставив эти значения в уравнение (4.14), находим

,

(4.17)

где Q _конв = Q _прод - Q _реаг (здесь Q _конв – обозначает количество тепла, выносимого конвективным потоком).

Тогда:

.

(4.18)

 

Полученное уравнение теплового баланса (4.18) может принимать различную форму в зависимости от типа реактора и теплового режима процесса.

 

Политропный режим.

  В реакторе идеального смешения периодического действия Q _конв = 0. Тогда уравнение (4.18) можно представить в виде:

.

(4.19)

для экзотермической реакции можно принять, что:

,	(4.20)
,	(4.21)
.	(4.22)

Слайд 4.15 до далее слайд 4.16:

Тогда, с учетом уравнений (4.20-4.22), уравнение (4.19) принимает вид, например, по реагенту А:

,

(4.23)

где r_A – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А;  – тепловой эффект химической реакции; ρ и   – плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси; Т – температура реакционной смеси; F _уд – удельная поверхность теплообмена (на единицу объема реакционной смеси); К – коэффициент теплопередачи; Δ Т = Т – Т_хл (здесь Т_хл – температура хладагента).

 

Политропный режим. В реакторе идеального смешения периодического действия Q _конв = 0. Тогда уравнение (4.18) можно представить в виде

.

(4.19)

В тоже время для экзотермической реакции можно принять, что

,	(4.20)
,	(4.21)
.	(4.22)

Тогда, с учетом уравнений (4.20-4.22), уравнение (4.19) принимает вид, например, по реагенту А:

,

(4.23)

где r_A – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А;  – тепловой эффект химической реакции; ρ и   – плотность и удельная теплоемкость реакционной смеси; Т – температура реакционной смеси; F _уд – удельная поверхность теплообмена (на единицу объема реакционной смеси); К – коэффициент теплопередачи; Δ Т = Т – Т_хл (здесь Т_хл – температура хладагента).

 

В реакторе идеального вытеснения изменение температуры происходит только в одном направлении – по длине реактора, тогда при Q _нак = 0 в установившемся режиме получаем

(4.24)

или

,

(4.25)

где u – линейная скорость движения реакционной смеси (u = dl / dτ); l – длина реактора идеального вытеснения.

 

В реакторе идеального вытеснения Q _нак = 0 в установившемся режиме получаем:

(4.24)

Или

,

(4.25)

где u – линейная скорость движения реакционной смеси (u = dl / dτ); l – длина реактора идеального вытеснения.

Слайд 4.16 до далее слайд 4.17:

Для реактора идеального смешения непрерывного действия отсутствует градиент параметров как во времени, так и в объеме реактора, поэтому уравнение теплового баланса составляют в целом для реактора. При установившемся режиме из уравнения (4.18) следует:

.

(4.26)

Величины, входящие в это уравнения для рассматриваемого случая, принимают вид:

,	(4.27)
,	(4.28)
.	(4.29)

С учетом этих уравнений уравнение (4.26) принимает вид

,

(4.30)

где V – объем реакционной смеси; F – общая поверхность теплообмена в реакторе; r_A – инвариантная скорость химической реакции по реагенту А.

Реактор идеального смешения непрерывного действия.

  При установившемся режиме из уравнения (4.18) следует:

.

(4.26)