Реакторы с различным тепловым режимом

До сих пор при выборе условий проведения процессов и расчете реакторов влияние температуры не учитывалось, и характеристические уравнения для реакторов различного типа были выведены на основании материального баланса без учета переноса тепла, а скорость реакции рассматривалась как функция только концентрации реагентов. Между тем температура оказывает влияние на равновесный выход, кинетику и селективность протекающих реакций, поэтому необходимо для каждого процесса в первую очередь определить оптимальный температурный режим, обеспечивающий наиболее высокую эффективность, а расчет реакторов проводить с учетом выбранных температурных условий на основании полных кинетических уравнений, устанавливающих зависимость скорости реакции как от концентрации реагентов, так и от температуры.

Практическая реализация оптимального температурного режима возможна при учете всех тепловых потоков, таких как конвективный перенос тепла, теплообмен с окружающей средой, тепло, выделяющееся (или поглощаемое) в результате химических превращений.

Для расчета химических реакторов с учетом переноса тепла необходимо совместное решение материального и теплового балансов [6]. При составлении уравнений, описывающих химические реакторы с учетом переноса тепла, необходимо кроме приведенной выше классификации реакторов (по характеру протекающей операции и по режиму движения реакционной среды) учитывать классификацию реакторов по тепловому режиму. Как было отмечено, в зависимости от теплового режима реакторы разделяют на три группы: адиабатические, изотермические и политропические.

В адиабатическом реакторе отсутствует теплообмен с окружающей средой, и тепло химической реакции полностью расходуется на изменение температуры реакционной смеси.

В изотермическом реакторе путем подвода или отвода тепла поддерживают постоянную температуру в течение всего процесса.

В политропическом реакторе температура не постоянна, при этом часть тепла отводится или подводится.

Адиабатический и изотермический реакторы представляют предельные случаи, которых на практике не бывает, но режим работы многих промышленных реакторов приближается к этим крайним моделям, поэтому с достаточной для практических целей точностью реакторы могут рассчитываться по уравнениям, полученным для адиабатических и изотермических режимов.

Исходным уравнением для расчета реакторов с учетом переноса тепла является уравнение теплового баланса, которое обычно составляют по одному из компонентов реакционной смеси. Форма уравнения теплового баланса определяется также тепловым режимом в реакторе, что будет показано в дальнейшем. Ниже приводятся выводы уравнений тепловых балансов и способы их решения для различных типов реакторов, работающих в различных тепловых режимах [4–6].