Адиабатический процесс в реакционном объеме. (Тема 6.3) презентация

Тема 6 Химический процесс на уровне реакционного объема

Тема 6.3 Адиабатический процесс в реакционном объеме Режимы идеального вытеснения и периодический идеального смешения Режим проточный идеального смешения (РИС-н) Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе

Адиабатический процесс в реакционном объеме Теплообмен с окружающей средой отсутствует Показатели процесса определяются свойствами среды

РИВ и РИС-п Математическая модель РИВ и РИС-п при  = 0, С = С0, Т = Т0 Уравнение материального баланса (для простой реакции W(C, T) = –r(C, T) и замены С на х)

РИВ и РИС-п Уравнение теплового баланса (для простой реакции W(C, T) = –r(C, T) и замены С на х) или при  = 0, х = 0, Т = Т0

РИВ и РИС-п Адиабатический процесс Уравнение теплового баланса (В=0, т.к теплообмен с окружающей средой отсутствует) при  = 0, х = 0, Т = Т0

РИВ и РИС-п Адиабатический процесс Уравнение материального баланса для сложной реакции Уравнение теплового баланса для сложной реакции

РИВ и РИС-п Зависимость разогрева системы от степени превращения Зависимость Т (х) линейная и не зависит от вида кинетического уравнения скорости

РИВ и РИС-п Зависимость Т (х) - характеристическое уравнение адиабаты ΔТад – температурный коэффициент адиабаты С увеличением конверсии при экзотермической реакции (qp > 0) система будет разогреваться, при эндотермической (qp < 0) — охлаждаться.

РИВ и РИС-п Зависимость Т(х) для адиабатического процесса 1 – экзотермическая реакция; 2 – эндотермическая реакция; 3 – экзотермическая реакция для Тад(3) > Тад(1) tg  = 1/ΔTад

РИВ и РИС-п Величина наклона определяется свойствами системы Чем больше тепловой эффект реакции qp и выше концентра- ция реагирующего вещества С0, тем круче наклон и реакционная смесь будет разогреваться или охлаждаться сильнее. Большая теплоемкость реакционной смеси ср делает наклон зависимости Т(х) более пологим и уменьшает изменение температуры.

РИВ и РИС-п Профили степени превращения (а) и температуры (б) в адиабатическом процессе в РИВ (необратимая реакция) 1 – экзотермический процесс; 2 – эндотермический процесс

РИВ и РИС-п Для обратимой реакции общий характер зависимостей х(τ) и Т(τ) сохраняется, но процесс будет протекать только до равновесия. Максимальный разогрев в этом случае составит

РИВ и РИС-п Сопоставление адиабатического и изотермического процесса Если изотермический процесс будет осуществляться при начальной температуре адиабатического Т0, то адиабатический процесс окажется более интенсивным в случае экзотермического процесса (Т реакции повышается) и менее интенсивным в случае эндотермического (Т реакции понижается).

РИВ и РИС-п Сопоставление адиабатического и изотермического процесса Если температура изотермического процесса будет Т > Т0, то вначале, до достижения в адиабатическом процессе температуры Т, процесс в изотермическом режиме будет протекать более интенсивно, после достижения Т адиабатический процесс станет более интенсивным. В случае эндотермического процесса повышение Т0 приводит к усилению преимущества изотермического процесса.

РИС-н Математическая модель РИС-н при  = 0, С = С0, Т = Т0 Уравнение материального баланса (для простой реакции, замены С на х и введение ΔТад и В), при  = 0, х = 0, Т = Т0

РИС-н Модель адиабатического процесса (при В = 0) Уравнение разогрева системы

РИС-н Уравнение разогрева в РИС-н совпадает с аналогичным уравнением для РИВ и РИС-н. Во всех режимах при одинаковой степени превращения величина разогрева совпадает, т.е. в адиабатическом процессе температура на выходе не зависит от гидродинамического режима в реакционном объеме (концентрационного и температурного полей) и определяется лишь глубиной превращения

РИС-н Зависимость x(τ), Т(τ) и Т(х) Получены для различных значений Vp при V0 = const или при разных V0 при Vр = const

РИС-н Для реакции первого порядка Получаем уравнение, увязывающее устанавливающийся в процессе температурный режим Т с продолжительностью протекания процесса  (глубиной превращения х) при определенных свойствах системы Тад

РИС-н Стационарные температурные режимы (1-3) в РИС-н

РИС-н При низких значениях Т0 будет реализоваться низкотемпературный процесс, при высоких — высокотемпературный. Предельные значения Т0 определяются свойствами реагирующей смеси (qp, k, Е и др.), проявляющимися в конфигурации и температурном уровне кривой зависимости Qр(Т) на графике Q–T

Сопоставление адиабатических РИВ и РИС-н Зависимость x(τ) и Т() в экзотермическом адиабатическом процессе при РИВ (1) и РИС-н (2)

Сопоставление адиабатических РИВ и РИС-н В РИС-н процесс протекает при постоянных конечных условиях (температура и концентрация), а в РИВ эти условия переменны и меняются от начальных до конечных. Поэтому в РИВ средняя концентрация исходных веществ больше, а средняя температура — меньше.

Сопоставление адиабатических РИВ и РИС-н Экзотермический процесс: при одинаковом значении 1 (Vp = const) в РИС-н достигается более высокая степень превращения х2>х1, что указывает на более высокую интенсивность процесса; при одинаковой температуре входящего потока Т0 в РИС-н поддерживается более высокая температура Т2, чем в РИВ; более высокая температура в РИС-н Т2 > Т1, даже при более низкой концентрации реагента (1 – х2)<(1 – х1), обеспечивает более высокую скорость при РИС-н. при достаточно больших степенях превращения, когда процесс переходит в диффузионную область и влияние концентрации на скорость становится определяющим, процесс в РИС-н становится менее интенсивным.

Сопоставление адиабатических РИВ и РИС-н Эндотермический процесс: Средняя температура в РИВ выше, чем при РИС-н, поэтому адиабатический эндотермический процесс всегда протекает более интенсивно в РИВ.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе В адиабатических процессах температурный режим устанавливается самопроизвольно, как следствие протекания реакции без внешнего регулирования. Для практического осуществления весьма существенна устойчивость режима работы, независимость его от различных возмущений.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Стационарный режим считается устойчивым, если после устранения источника внесенного возмущения самопроизвольно восстанавливается первоначальное стационарное состояние процесса. Неустойчивое стационарное состояние - если после устранения источника внесенного возмущения самопроизвольно не восстанавливается первоначальное стационарное состояние процесса.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Расположение зависимостей Qр(Т) и QТ(Т) в стационарном режиме

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Вариант I Если по каким-либо причинам температура процесса Т1 увеличится до Т'1 , то увеличится также тепловыделение Qp и теплоотвод QT, но последний возрастет больше, чем тепловыделение. Если источник возмущения будет устранен, то превалирующий теплоотвод приведет к снижению температуры процесса и режим самопроизвольно вернется в первоначальное состояние с температурой Т1. Если температура процесса уменьшится до Т"1, то Qp станет больше QT и после устранения источника возмущения восстановится первоначальная температура Т1. В этом случае стационарное состояние является устойчивым. Следовательно, условием устойчивости стационарного режима является dQp/dТ < dQT/dТ.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Вариант II Повышение температуры процесса от Т2 до Т‘2 приведет к более сильному возрастанию тепловыделения Qp, нежели теплоотвода QT. Поэтому температура процесса будет продолжать увеличиваться и после устранения источника возмущения и самопроизвольно первоначальный температурный режим не восстановится. Понижение температуры до Т"2 приведет к состоянию, когда Qp<QT, что приведет к дальнейшему остыванию процесса даже при устранении источника возмущения. Следовательно, стационарное состояние является неустойчивым и стационарный режим, даже при любых малых изменениях Т0, не будет восстанавливаться самостоятельно. Показателем неустойчивости стационарного состояния является условие dQp/dТ > dQT/dT.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Условие устойчивости (вариант I) характерно для низкотемпературных и высокотемпературных режимов (линии 1 и 3), тогда как промежуточный режим (линия 2) является неустойчивым (вариант II) и при малейшем отклонении T0 самопроизвольно не восстанавливается, и процесс неизбежно охлаждается до режима 1 или нагревается до режима 3. Экспериментально подтверждено, что неустойчивые стационарные состояния практически не реализуются.

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Стационарные режимы экзотермического адиабатического РИС-н при повышении (а) и понижении (б) температуры газового потока T0

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Зависимость температуры адиабатического гетерогенного процесса в РИС-н TП от температуры входящего потока T0 TПН – Температура зажигания; TПВ – температура потухания

Критические тепловые явления в адиабатическом гетерогенном процессе Температуры зажигания ТПН и потухания ТПВ являются критическими режимами и определяют области существования различных температурных режимов. Низкотемпературные режимы существуют при T0 < ТПН Высокотемпературные режимы существуют при T0 > ТПВ. Если T0 лежит в интервале ТПВ > T0 > ТПН, то система будет находиться в одной из двух областей стационарных режимов в зависимости от предыстории процесса, т.е. от направления достижения T0. Температурные режимы процесса в интервале ТПВ > TП > ТПН практически не реализуются.