Реактор идеального вытеснения.

Экзотермическая, обратимая реакция (адиабатический температурный режим)

При постоянстве давления и состава реакционной смеси, на величину скорости будут влиять константа скорости и движущая сила. Поскольку реакция экзотермическая, а температурный режим адиабатический, то по мере протекания реакции температура в реакторе будет увеличиваться, следовательно, константа скорости по мере увеличения объема реактора будет возрастать. Движущая сила будет уменьшаться по двум причинам:

1) Уменьшение концентрации исходных реагентов и повышение концентрации продуктов по мере протекания реакции.

2) Уменьшение константы равновесия в связи с увеличением температуры.

Зависимость скорости от объема реактора будет проходить через экстремум. Исходя из этой зависимости, введем понятие вдали от равновесия и вблизи от равновесия.

Вдали от равновесия - когда численное значение константы равновесия велико, уменьшение движущей силы происходит только за счет понижения концентрации исходных реагентов. Это понижение незначительно по сравнению с возрастанием константы скорости из-за разогрева реакционной смеси. Поэтому, определять величину скорости будет константа скорости прямой реакции.

Вблизи равновесия - константа равновесия имеет небольшое значение, и ее уменьшение определяется как концентрационным, так и температурным факторами. Поэтому, вблизи равновесия как бы велико не было значение константы скорости, определять величину скорости процесса будет уменьшение движущей силы процесса.

Степень превращения.

Поскольку, по мере протекания реакции температура будет увеличивается, следовательно, равновесие смещается в сторону исходных веществ. Величина, равная степени превращения по мере увеличения объема реактора будет уменьшаться. Поскольку скорость проходит через экстремум, зависимость степени превращения будет иметь s-образный характер.

Вогнутый - увеличение скорости, выпуклый - уменьшение скорости.

Поскольку при постоянстве давления расхода реакционной смеси и исходного состава изменение производительности определяется изменением степени превращения ключевого компонента, то форма зависимости будет S-образной.

Управление адиабатическим реактором имеет свои особенности, т.к. температура в реакторе является функцией степени превращения, поэтому управляющим параметром является температура смеси на входе в реактор.

Рассмотрим влияние входной температуры. Увеличиваем входную температуру, следовательно, увеличивается скорость на входе в реактор и уменьшается равновесная степень превращения. Участок, именуемый вдали от равновесия, будет иметь меньшую протяженность (максимум скорости будет достигаться при меньшем объеме реактора) Но величина максимальной скорости будет больше за счет большего значения температуры на входе в реактор. Отсюда мы можем изобразить все остальные зависимости.

Таким образом, при проведении обратимой экзотермической реакции, увеличение входной температуры выгодно, если необходимо обеспечить высокую скорость процесса. Если же необходимо обеспечить высокую степень превращения, увеличение входной температуры не выгодно, т.к. равновесие смещается в сторону исходных веществ, и равновесная степень превращения уменьшается.

Vp, VNS = const

 

 

Это можно проиллюстрировать на зависимостях, отражающих решение задачи - моделирование реактора.

Если добавить на этот график уравнение адиабаты, то мы получим графическое решение системы уравнений материального и теплового баланса реактора.

По мере увеличения входной температуры степень превращения возрастает, доходит до максимума и начинает убывать.

 

Тангенс угла наклона прямой – величина обратная адиабатическому коэффициенту

 

РИВ.

Эндотермическая, обратимая реакция.

Температура по мере протекания реакции уменьшается, поэтому константа скорости будет уменьшаться. Движущая сила будет уменьшаться так же по двум причинам:

1)Концентрационный фактор, т.е. уменьшение концентрации исходных реагентов и увеличение концентрации продуктов.

2)Уменьшение константы реакции.

Следовательно, что по мере протекания реакции скорость будет постоянно уменьшаться. Уменьшение температуры приводит к смещению равновесия в сторону исходных веществ. Поскольку скорость процесса уменьшается, то график имеет форму выпуклой кривой. Отсюда, такую же форму имеет зависимость температуры реакции от объема реактора и производительности от объема реактора. При увеличении входной температуры увеличивается средняя температура в реакторе, соответственно, равновесие смещается в сторону продуктов реакции к увеличению средней скорости, что позволяет сделать вывод о том, что при проведении обратимой эндотермической реакции в адиабатическом температурном режиме, увеличение входной температуры выгодно во всем диапазоне изменения объема реактора.

 

Для обратимой эндотермической реакции характер зависимостей для МПС аналогичен рассмотренной для МИВ.

Для обратимой экзотермической реакции при рассмотрении МПС характер зависимостей сохраняется в том случае, если в реакторе полного смешения не наблюдается зона множественности стационарных состояний.

А + B 2C

Экзотермическая реакция:

Р = const

P₂ ˃ P

­ P Þ U­

Максимум наблюдается в точке перегиба

Эндотермическая реакция:

При увеличении давления скорость возрастает. При одной и той же входной температуре увеличение давления приводит к возрастанию степени превращения. Для реакций, идущих без изменения числа молей, увеличение давления выгодно.