Теплонапряженность процесса горения в химическом реакторе идеального перемешивания

Раньше уже отмечалось, что для интенсификации процесса горения в химическом реакторе необходимо обеспечить возможно более полное перемешивание газа. Остановимся на этом вопросе более подробно. Интенсивность тепловыделения в химическом реакторе определяется величиной Ф = QW — количеством тепла, выделяющегося в единице объема за единицу времени. Эта величина в теплотехнике называется теплонапряженностью и измеряется в кДж/(м3•ч); ее максимальное значение определяет верхний предел интенсификации аппаратов, в которых сжигают топливо (в топках, горелках и т. п.).

Среди рассмотренных выше режимов горения в гомогенном химическом реакторе наибольший интерес с точки зрения реализации максимальной теплонапряженности представляет режим, отвечающий точке М на рис. 3.19. В этой точке температура газа близка к максимальной: Т" = 7)/1 — nRTJE) (см. формулу (3.66)), выгорание реагирующего вещества весьма значительно: ?•/a0 = nRTb2/(E(Tb — T0)) (см. (3.67)), а скорость реакции достигает своего максимального значения:

(3.110).

Приведем оценку, показывающую, что режим горения в точке М обеспечивает более эффективное использование объема реактора по сравнению с горением в струе без перемешивания.

Из уравнения (3.106) следует, что при заданных входных параметрах объем реактора, работающего в режиме точки М, равен.

(3.111).

Объем, необходимый для достижения состояния реагирующей смеси, отвечающего точке М, при проведении реакции в струе без продольного перемешивания оценивается как.

(3.112).

Отношение этих объемов, выраженное через свойства горючей смеси, равно.

(3.113).

что, например, при Tb = 2000 К, Т0 = 1000 К, Е= 141 кДж/моль дает V'/V «12.

Таким образом, перемешивание с продуктами реакции, которое осуществляется в гомогенном химическом реакторе, является эффективным способом преодоления задержки экзотермической реакции, вызываемой разогревом системы. Процент разбавления исходной смеси продуктами реакции весьма значительный: в рассмотренном примере а/а0 «27%.

Чтобы горение в реакторе идеального перемешивания осуществлялось наиболее интенсивно, необходимо с помощью подогрева горючей смеси, поступающей в реактор, добиться осуществления высокотемпературного режима. Затем, увеличивая скорость подачи газа, можно достичь максимальной теплонапряженности.

Представляет большой интерес и другая задача: каким образом можно достичь большой глубины превращения (99 или 99,9%) при минимальном объеме химического реактора? Наиболее эффективной в этом случае является комбинация реактора идеального перемешивания, настроенного на максимальную скорость реакции, что отвечает обычно 80−90% превращения, и присоединенного к нему реактора идеального вытеснения для дожигания смеси (доведения степени превращения от 80−90% до 99−99,9%). Получение очень высокого, близкого к 100%, выхода в реакторе идеального перемешивания невыгодно.

Отметим еще один важный аспект проблемы осуществления максимальной теплонапряженности. Большую скорость реакции можно было бы получить с помощью предварительного нагрева исходной реагирующей смеси теплопередачей от продуктов горения через стенки в противоточном теплообменнике. Такая организация процесса позволяет совместить высокую температуру проведения реакции с высокой концентрацией реагирующего вещества. С помощью противоточного теплообменника можно получить в реагирующем газе температуру более высокую, чем «теоретическая» температура Тb, и притом без привлечения внешних источников тепла! Максимальная температура тем выше, чем больше интенсивность теплообмена и поверхность теплообменника на единицу массы реагирующего вещества.

Однако организация теплообмена без перемешивания исходной смеси и продуктов горения сопряжена с принципиальными трудностями: вблизи твердых поверхностей течение становится ламинарным и интенсивность теплопередачи падает по сравнению с турбулентным потоком; к тому же при высоких температурах, близких к возникает и проблема выбора достаточно жаростойких материалов. Между тем в реакторе идеального перемешивания подогрев исходной смеси за счет турбулентного перемешивания протекает весьма интенсивно и не ограничен никакой самой высокой температурой. Именно в связи с преимуществами турбулентного перемешивания проблема реактора идеального перемешивания особенно интересна с технической точки зрения.

Представляют также интерес режимы протекания автокаталитических или разветвленных ценных реакций в реакторе со смешением. Особенность их заключается в том, что перемешивание смеси, в которой реакция достигла значительной глубины превращения, существенно сокращает период индукции свежей смеси.