Адиабатический режим

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

БАШКИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Регулирование теплового режима при протекании быстрых химических процессов

Методические указания по курсам

«Химическая технология», «Высокомолекулярные соединения»

Для студентов 4 и 5 курсов

Химического факультета Башгосуниверситета.

Уфа

РИО БашГУ

Методические указания печатаются в соответствии с решением кафедры ВМС и ОХТ (протокол № 3 от 21.12.2011)

Составители: д.х.н., профессор Захаров

К.х.н., доцент Базунова М.В.

Введение

Поддержание требуемого температурного режима в зоне реакции является необходимым условием эффективного и безопасного проведения любого технологического процесса. Подъем температуры в зоне реакции при протекании экзотермических процессов зависит от термодинамических и кинетических параметров, концентрации и способа введения реагентов, гидродинамического режима в зоне реакции и др. Проблемы в регулировании температурного режима в реакторах возникают при проведении быстрых химических экзотермических реакций в жидкой фазе, которые протекают за секунды или доли секунды, при этом протяженность зоны реакции L_х, как правило, не превышает нескольких сантиметров, а часто и долей сантиметра. Естественно, это ведет к локальному разогреву среды и если отсутствует или недостаточен теплоотвод может приводить к тепловому взрыву. По этой причине проведение быстрых химических процессов в стандартных объемных аппаратах смешения с любыми механическими перемешивающими устройствами и системой внешнего теплосъема технологически нецелесообразно, поскольку всегда в местах ввода реагентов формируется объемный градиент температур – «факел», характеризующийся нестационарным протеканием реакции и значительным, часто недопустимым, перегревом реакционной смеси.

Для быстрых химических реакций приемлемы традиционные способы регулирования теплового режима: расход тепла реакции на адиабатический разогрев предварительно охлажденных исходных реагентов, внутренний теплосъем за счет кипения компонентов реакционной смеси. Формирование режима квазиидеального вытеснения, когда зона реакции достигает теплопроводящих стенок реактора, определяет возможность эффективного использования также и внешнего теплосъема.

Адиабатический режим

Адиабатический подъем температуры в зоне реакции DТ_ад рассчитывается как:

(1)

где q - тепловой эффект реакции, DП - выход продукта реакции с единицы объема, С_р, r - средние теплоемкость и плотность реакционной смеси.

Таблица 1

Протекание быстрых экзотермических процессов в трубчатом турбулентном реакторе цилиндрического типа (Т₀=293 К, Т_х=243 К, V=1 м/с).

В зависимости от численных значений теплового эффекта химического процесса q и выхода продукта реакции DП подъем температуры DТ_ад в зоне реакции может составлять десятки и даже сотни градусов, причем все тепло выделяется очень быстро (за секунды или доли секунды) и на очень малом расстоянии по длине реактора L_х =V×t_х=V/(k[C]^n-1) (при полимеризации L_х = V/k_г) (табл. 1).

При проведении быстрых процессов полимеризации, когда R < R_кр, интенсивное продольное и поперечное перемешивание усредняет температуру в зоне реакции таким образом, что (молекулярно-массовое распределение) ММР и средние молекулярные массы (ММ) оказываются близкими к характерным для изотермических условий при температурах, соответствующих адиабатическому разогреву смеси. Однако, возможности полимеризации в адиабатических условиях обычно ограничиваются тем, что при высоких температурах значительно снижается ММ и протекают побочные процессы, в частности, деструкция и сшивка макромолекул.

Возможность охлаждения исходной смеси в случае реализации процесса, при котором не достигается температура кипения реакционной массы, ограничивается температурой кипения хладоагента, например, жидкого этилена (Т_кип = 183 К). До того, как начнется кипение растворителя, температура смеси будет подниматься пропорционально росту выхода полимера в соответствии с соотношением:

(2)

На примере полимеризации изобутилена показано, что, если использовать диапазон изменения температуры в 90⁰ (охлаждающий агент жидкий этилен с Т_кип=183 К), то за счет адиабатического нагревания реакционной смеси можно заполимеризовать порядка 15% мас. жидкого изобутилена. Если возможности охлаждения раствора мономера меньше, например охлаждающим агентов является жидкий аммиак (Т_кип=243 К), то за время нагревания реакционной смеси можно получить не более 10% мас. полимера.

Одним из эффективных способов отвода тепла химической реакции является внутренний теплосъем при кипении компонентов реакционной смеси.

Дата добавления: 2015-07-14