Rеаktоrlаrning issiqlik rеjimi. Izоtеrmik rаvishdа ishlоvchi rеаktоrlаr rеjа

3. Izоtеrmik mаrоm

Izotermik marom amalda faqat uzluksiz xarakatlanuvchi reaktorlardagina uchraydi. Bunday reaktorlarda xarorat issiqlik kiritish yoki chiqarish orqali barqaror (doimiy) ushlab turiladi. Reaktorga kirish joyida, reaktsiyaga kirishuvchi aralashma xarorati undan chiqishdagi xaroratga teng bo’lganligi tufaylidan (ya’ni T=To), MSCH-I va MAR-U-I reaktorlar uchun:

S_r¹ dT = 0
S_r¹(T-To) = 0
Ushbu qiymatlarni xisobga olganda avvalgi tenglama quyidagi ko’rinishga ega bo’ladi:

MSR-I uchun (78)

MAR-U-I uchun (79)

Reaktorlar ishining barqarorligi

Sanoat - ishlab chiqarish sharoitida jarayonning texnologik maromini shunday tanlash zarurki, jarayonning o’zgaruvchi ko’rsatkichlari (parametrlari) modda va issiqlikning kelish va sarfieti orasidagi tenglikni ta’minlab tursin, lyokin shu bilan bir paytda, jarayonning jadal sur’atlar bilan kechishi va reaktorning barqaror ish maromida eng ko’p tayyor maxsulot chiqishini ta’minlovchi shart-sharoitlarni yaratish lozim.

"Barqarorlik" tushunchasini quyidagicha tavsiflash mumkin:
Agar tizimga biron-bir o’zga ta’sir ko’rsatilib, so’ngra bu ta’sir to’xtatilgandan so’ng o’z-o’zidan ilgarigi xoliga qayta olsagina, bunday tizim barqaror tizim xisoblanadi. O’zga ta’sir deb jarayonning ayrim ko’rsatkich yoki kattaliklarining (sarfiet, bosim, xarorat va sho’nga o’xshash) turli sabablarga ko’ra texnologik maromning mu’tadil kechishi uchun belgilangan qiymatlaridan chetga chiqishi tushuniladi.
Reaktorning beqaror ish xolatida jarayonning texnologik ko’rsat-kichlaridan qaysidir birining berilgan ko’rsatkichlardan xattoki arzimas darajada chetlashishi xam reaktor ish maromining statsionar xolatdan nostatsionar xolatga o’tishiga sabab bo’ladi. Bu xolda vaqt o’tishi bilan statsionar xolatdan chetlashish kuchayadi va jarayon o’z-o’zidan statsionar xolatga o’ta olmaydi.
Reaktorning beqaror ish ma’romini ta’minlash imkoniyatlarini taxlil qilish uchun, A=B+Q reaktsiya misolida mukammal aralashtiruvchi uzluksiz adiabatik reaktordagi issiqlik balansi tenglamasidan foydalanamiz. Reaktordagi issiqlik kirishi va sarfieti tengligi sharoiti, moddaning xam kirishi va sarfieti (moddiy balans) tengligi sharoitini talab qiladi. SHuning uchun reaktorning barqaror ish ma’romini topish uchun moddiy va issiqlik balansi tenglamalarini birgalikda chizma ravishda echish amalga oshiriladi.
69 - tenglamadan ko’rinib turibdiki, misoldagi xolat uchun statsionar maromda issiqlik balansi quyidagicha ifodalanadi:
Qkr= Qkonv (a)
bu erda, Qkr= DH_ХА (b)
Qkonv =Sr (T-To) (v)
45a - rasmda reaktorda issiqlikning konvektiv o’tishining xaroratga bog’liqligi tasvirlangan. Bu to’g’ri chiziq bo’lib, uning egilish burchagi tangensi quyidagiga teng:
tga = Sr¹ = (80)
MAR-U reaktorlar uchun (20) tenglamadan

yoki uni o’zgartirib:
(81)
Bu qiymatlarni (6) tenglamaga qo’yib Qkr ning qiymati topamiz:
(82)
Bu tenglamadan shu ma’lum bo’ladiki, xarorat yuqori bo’lganda, Qkr DH ning doimiy qiymatiga intiladi, xarorat pasayganda esa no’lga intilаdi.
45(b) - rasmda kimyoviy reaktsiya paytida issiqlik ajralib chiqishining xaroratga bog’liqligi aks ettirilgan.
Ajralib chiqadigan issiqlikning miqdori (Qkr) o’zgarilish darajasiga (X_А) mutanosib (proportsional) bo’lganligi, barqaror maromda esa Qkr = Qkonv bo’lgani tufaylidan 45-rasmdagi koordinata o’klarida X_А ning xam qiymatlari ko’rsatilgan, biroq tegishlik masshtabni xisobga olgan xolda.

45-rasm. Issiqlikning kirish va chiqishining xaroratga bog’liqligi:

a) Qkr = f(t); b) Qkonv = (t)
Reaktorning barqaror ish maromini topish uchun 45 (a) - rasmdagi to’g’ri chiziqni va 45 (b) - rasmdagi egri chiziqni bir-biriga joylashtirish kerak. Bu xolda o’zaro joylashishning bir qancha xolatlari bo’lishi mumkin va ular 46-rasmda keltirilgan.
Issiqlik kirish egri chizig’i va issiqlik chiqish to’g’ri chizig’i kesishgan a, m va k nuqtalar tizimning issiqlik muvozanati xolatiga, ya’ni issiqlik kelishi va sarfieti teng bo’lgan xolatiga mos keladi.
Endi 46-rasmda tasvirlangan MAR-U-A ning ish maromining o’ziga xos xususiyatlarini taxlil qilib chiqamiz.
Ushbu rasmda ko’rsatilganidek, reaktorning ish maromi o’zining barqarorligi bilan tavsiflanadi, chunki jarayonning ko’rsatkichlariga oz miqdordagi ta’sir uning ishini jiddiy buzilishiga olib kelmaydi va bu ta’sir to’xtatilgandan so’ng apparat yana o’z ish maromiga, ya’ni a nuqtaga javob beruvchi xolatga qаytаdi.
Bunda, issiqlik kelishining, yoki aksincha uni sarfietining bir muncha ko’payishi nazarda tutiladi. Bu, masalan, reaktsiya ketadigan aralashmaning reaktorga kirishdagi (To) yoki reaktsiya maxsulotining reaktordan chiqishdagi (T) xaroratlari o’zgarishi natijasida yuz beradi. Lyokin, bu sharoitlarda apparat ishining barqarorligiga qaramasdan, uning bu ish maromi amaliy axamiyatga ega emas, chunki chizmadan ko’rinib turganidek jarayon dastlabki reagentning oxirgi maxsulotga aylanish darajasi juda kichik bo’lgan xolda kechadi.

46-rаsm. MAR-U-A ning turli o’ziga xos ishlash xolatlari:

a, b-amalda qiziqish uyg’otmaydigan maromlar;
v-amalda ko’proq qiziqish uyg’otadigan marom.
Reaktor ishining 46-rasmda ko’rsatilgan xolati, reaktorning issiqlik kelishi va ketishi (a, m va K nuqtalarda) teng bo’lgan sharoit saklangan xolda mumkin bo’lgan 3 ta ishlash varianti borligini ko’rsatadi. Bu uchchala nuqtada reaktorning ish maromi uzining barqarorligi bilan ajralib turadi. Ayniqsa, M nuqtaga to’g’ri keluvchi ish maromi eng barqaror bo’ladi. Issiqlik kelishi va ketishi o’rtasidagi balansning salgina buzilishi xam, tizimning o’z-o’zidan a, va K nuqtaga to’g’ri keluvchi xolatga o’tishiga olib keladi. Agar issiqlik chiqib ketishi ko’paysa, unda tizim a, nuqtaga to’g’ri keluvchi xolatga o’tadi, agarda issiqlik chiqib ketishi kamaysa, unda tizim K nuqtaga mos keluvchi xolatga o’tadi. Biroq dastlabki reagentning o’zgarilish darajasi K nuqtada, nisbatan yuqori bo’lsa xam, ammo K nuqta to’g’ridan -to’g’ri egilish burchagi tangensi katta bo’lgan issiqlik kirish chizig’iga yaqin joyda joylashgan va shuning uchun bu xolda reaktorning ish maromi beqaror bo’ladi.
46(b) - rasmda ko’rsatilgan xolat amalda ko’proq qiziqish uyg’otadi, chunki u bir paytning o’zida dastlabki reagentning maxsulotga aylansh darajasi yuqori bo’lishi bilan birga reaktor ish maromining barqarorligi xolatiga javob beradi.
Ammo, kimyogar bakalavr-texnologning vazifasi faqat 46-rasmda ko’rsatilgan xolatlarni taxlil qilishgina emas, balki amalda samarador bo’lgan maromga o’tkazish uchun reaktorning ish maromiga ta’sir ko’rsata olishdan xam iboratdir.
Apparat ish maromining befoyda va beqarorligini o’zgartirish uchun, texnologik jarayon ko’rsatkichlari (parametrlari)ni o’zgartirish mumkin va shu bilan bir qatorda issiqlik chiqarish to’g’ri chizig’i va issiqlik kiritish egri chiziqlarining uzaro joylashishini xam o’zgartirish mumkin.
Masalan, issiqlik chiqishi chizig’ining xolatini o’zgartirish mumkin, buning uchun dastlabki reagentning boshlangich xaroratini (To) o’zgartirish lozim. Agar dastlabki reagentning xarorati oshirilsa, unda issiqlik chiqishi chizig’i chizmaning o’ng tomoniga suriladi va issiqlik kirish egri chizig’i xamda issiqlik chiqish to’g’ri chizig’ining kesishish nuqtasi tegishli ravishda dastlabki reagentning yuqoriroq o’zgarilish darajasi tomoniga siljiydi (46v rasmga qarang). Aksincha, agar dastlabki reagentning xarorati pasaytirilsa, unda chizmadagi issiqlik chiqish chizig’i chapga suriladi (46a-rasm).
Agarda, dastlabki reagentning xaroratini o’zgartirish imkoni bo’lmasa, unda issiqlik chiqish to’g’ri chizig’ining egilish burchagini o’zgartirish mumkin. Buning uchun dastlabki reagentning kontsentratsiyasini o’zgartirish darkor - 80-chi tenglamadan ma’lumki, dastlabki reagentning kontsentratsiyasi o’zgarishi bilan issiqlik chiqish to’g’ri chizig’i egilish burchagining tengensi kamayadi. SHu tufayli issiqlik kirish egri chizig’i va issiqlik chiqish to’g’ri chizig’ining kesishish nuqtalarining xolati o’zgaradi (47-rasm).

47-rаsm. MAR-U-A ning turli o’ziga xos ishlash xolatlari

Dastlabki moddaning kerakli kontsentratsiyasini tanlab turib, reaktorning qulay va barqaror ish maromini topish mumkin. Bundan tashqari, reaktorning qulay ish maromini chizmadan issiqlik chiqish egri chizig’i xolatini o’zgartirish yo’li bilan xam topish mumkin.
SHunday qilib, agarda reagentning reaktorda bo’lish vaqti oshirilsa, unda ajralib chiqayotgan issiqlik miqdori (Qkr) ko’payadi va S-shakldagi issiqlik chiqish egri chizig’i chapga suriladi va reaktorning dastlabki moddaning o’zgarilish darajasi yuqori bo’lgan barqaror ish maromini topishga muvaffak bo’lamiz.
Issiqlik chiqishi bilan ketadigan (ekzotermik) qaytar reaktsiyalarni o’tkazishda sharoit qiyinlashadi, chunki issiqlik chiqarish egri chizig’i bu xolda egilish joyidan o’tadi (48-rasm). Bu xolni ekzotermik qaytar reaktsiyalarda muvozanatli o’zgarilish darajasining xarorat oshganda pasayishi bilan tushuntirish mumkin.
Rasmdan ko’rinib turibdiki, issiqlik chiqish egri chizig’i o’zning eng yuqori chuqqisiga (maksimumiga) K nuqtada ega bo’ladi, shundan so’ng pasaya boshlab, muvozanatli chiqishga to’g’ri keluvchi egri chiziqda yonma-yon joylashadi.
Amalda bu xolatlar uchun marom shunday olib boriladiki, bunda issiqlik chiqish to’g’ri chizig’i issiqlik kirish egri chizig’i bilan K nuqtada kesishishi ta’minlanishi kerak bo’ladi, e bo’lmasa, issiqlik chiqish to’g’ri chizig’ining egilish burchagi kichkina bo’ladi va issiqlik kirish egri chizig’i bilan r nuqtada kesishadi, bo’nga esa dastlabki moddaning kontsentratsiyasini oshirish orqali erishiladi. Bunda jarayon o’zgarilish darajasi uncha yuqori bo’lmagan xolda kechganligi tufayli, uni oshirish uchun jarayonni bir necha bosqichda olib boriladi, buning uchun reaktsiyaga kirishuvchi aralashma birinchi bosqichdan so’ng sovutiladi (bunda ba’zan reaktsiyadan ko’zda tutilgan maxsulot ajratiladi) va ikkinchi xamda undan keyingi reaktorlarga S yoki ko’p bosqichli bitta reaktorning bosqichiga) yunaltiriladi.

48-rasm. Qaytar ekzotermik reaktsiya diagrammasi: 1-issiqlik kirish chizig’i; 2-issiqlik chiqish chizig’i; 3-muvozanatni o’zgarilish darajasi chizig’i.

Issiqlik yutilishi bilan (endotermik) ketadigan reaktsiyalar kechganda issiqlik yutilishi sababli dastlabki reaktsiyaga kirishuvchi aralashmaning xarorati reaktorga kirishda reaktor ichidagsha qaraganda yuqori bo’ladi.
Bu xolda Qkonv = - Sr (T-To), Issiqlik chiqish chizig’ining egilish burchagi tangensi manfiy, egilish burchagi esa 90° dan katta bo’lib qoladi (49-rasmga qarang).
Kesishish nuqtasining yuqori o’zgarilish darajalik doiraga kuchishiga, e dastlabki reaktsion aralashma xaroratini o’zgartirish yoki uning kontsentratsiyasini pasaytirish xisobiga issiqlik chiqish to’g’ri chizig’ining egilish burchagini kamaytirish yo’li bilan erishiladi.

49-rasm. Endotermik reakitsiya diagrammasi.

MAR-U-A reaktorlarning eng maqbul ish maromini keltirilgan chizma usul bilan aniqlash boshqa reaktorlar uchun xam qo’llanilishi mumkin. Buning uchun esa o’tgan safardagidek issiqlik balansining xususiy tenglamalarini taxlil qilib chiqish kerak.