全混流反应器进行放热反应时,要使反应器操作在稳定的定常态,则必须满足以下条件A. 移热速率 >放热速率B. 移热速率 C. 移热速率随温度变化率 >放热速率随温度的变化率D. 移热速率随温度变化率
A. 移热速率 >放热速率
B. 移热速率 <放热速率
C. 移热速率随温度变化率 >放热速率随温度的变化率
D. 移热速率随温度变化率 <放热速率随温度的变化率
题目解答
答案
解析
本题考查全混流反应器稳定定常态操作的条件,解题的关键在于理解全混流反应器中移热速率和放热速率随温度的变化关系对反应器稳定性的影响。
在全混流反应器中,要使反应器操作在稳定的定常态,需要从热平衡和稳定性的角度来分析。当反应器处于稳定的定常态时,移热速率和放热速率相等,即 $Q_{r}=Q_{c}$ ,其中 $Q_{r}$ 为放热速率,$Q_{c}$ 为移热速率。
为了保证反应器在受到微小扰动后能够自动恢复到原来的稳定状态,需要考虑移热速率和放热速率随温度的变化率。设移热速率随温度的变化率为 $\frac{dQ_{c}}{dT}$ ,放热速率随温度的变化率为 $\frac{dQ_{r}}{dT}$ 。
当反应器温度发生微小变化 $\Delta T$ 时,移热速率的变化量为 $\Delta Q_{c}=\frac{dQ_{c}}{dT}\Delta T$ ,放热速率的变化量为 $\Delta Q_{r}=\frac{dQ_{r}}{dT}\Delta T$ 。
若 $\frac{dQ_{c}}{dT}>\frac{dQ_{r}}{dT}$ ,当温度升高 $\Delta T>0$ 时,移热速率的增加量 $\Delta Q_{c}$ 大于放热速率的增加量 $\Delta Q_{r}$ ,即移热速率大于放热速率,反应器内温度会下降,从而恢复到原来的稳定温度;当温度降低 $\Delta T<0$ 时,移热速率的减少量 $\Delta Q_{c}$ 大于放热速率的减少量 $\Delta Q_{r}$ ,即移热速率小于放热速率,反应器内温度会升高,也能恢复到原来的稳定温度。所以,当 $\frac{dQ_{c}}{dT}>\frac{dQ_{r}}{dT}$ 时,反应器能够在稳定的定常态下操作。
而选项A和B只考虑了移热速率和放热速率的大小关系,没有考虑它们随温度的变化情况,不能保证反应器在受到扰动后能恢复到稳定状态;选项D中 $\frac{dQ_{c}}{dT}<\frac{dQ_{r}}{dT}$ ,当温度发生变化时,反应器内的温度会偏离原来的稳定状态,无法实现稳定的定常态操作。