- •Министерство образования и науки украины
- •Химические реакторы
- •Классификация реакторов
- •Структура математической модели химического реактора
- •Реакторы непрерывного действия
- •Каскад реакторов идеального смешения
- •Графический метод расчета к – рис
- •Параллельные и последовательные реакции
- •Селективность, выход, степень превращения
- •Селективность различных реакций
- •Последовательные реакции
- •Зависимость селективности от степени превращения
- •Модели ректоров с неидеальной структурой потока
- •Каталитические процессы
- •Сущность и виды катализа
- •Гомогенный и гетерогенный катализ
- •Гетерогенный катализ
- •Свойства твердых катализаторов и их изготовление
- •Зависимость степени превращения от температуры
- •Однако все контактные аппараты с фильтрующим слоем катализатора обладает следующими недостатками, присущие фильтрующему слою и затрудняющие дальнейшую интенсификацию. Недостатки фильтрующего слоя
- •Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях
Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях
В последние годы исследователи, занимающиеся катализом, уделяют большое внимание нестационарным каталитическим процессам. В качестве причин, вызывающих интерес к этим явлениям, можно назвать, во-первых, то, что многие каталитические процессы нестационарны по своей природе - под воздействием реакционной среды во времени происходит изменение каталитической активности. Во-вторых, оказалось, что в ряде случаев искусственно созданная нестационарность позволяет конструктивно более просто решить вопросы создания оптимальных технологических режимов.
Напомним, что стационарный режим характеризуется постоянством во времени параметров процесса, в частности постоянными остаются состав и температура газовой фазы в реакторе, а также концентрации всех промежуточных соединений на поверхности. В этом случае и скорость каталитического процесса «стационарна», она полностью определяется составом реакционной смеси в газовой фазе и температурой катализатора:
ωRA = ωRA (СА,СВ,СRCS...Т)
В нестационарных процессах состав газовой фазы и температура катализатора во времени изменяются. Уравнения материального и теплового балансов для зерна катализатора или слоя катализатора в целом содержат члены, включающие производные состава или температуры по времени (накопление массы или теплоты).
Можно указать на четыре основные причины возникновения нестационарности при осуществлении гетерогенно-каталитических процессов:
вынужденные внешние воздействия;
неустойчивость нестационарного состояния или автоколебания;
случайные помехи, возмущения;
изменяющиеся во времени активность и селективность катализатора.
Работа в режиме вынужденных внешних воздействий приводит к тому, что при одних и тех же значениях входных параметров реактора, но разных законах их изменения во времени возникают широкие возможности в формировании полей концентрации, температур и составов поверхности катализатора. Поэтому в нестационарном режиме можно добиться более благоприятных условий протекания процесса, чем в стационарно работающем реакторе. Например, производительность и избирательность процесса в нестационарном режиме может оказаться значительно выше, чем в стационарном. Это отличие, возникающее прежде всего из-за нелинейной зависимости скорости реакции от состава реакционной смеси и температуры, в значительной мере зависит от динамических свойств поверхности катализатора Эффективность нестационарного процесса зависит от закона изменения входных параметров - состава реакционной смеси, начальной температуры, нагрузки.
Рассмотрим в качестве примера способ проведения обратимой экзотермической реакции в адиабатическом реакторе с искусственно организованной нестационарностъю. Нестационарность достигается периодическим переключением направления подачи реакционной смеси в слой катализатора (рис. 1).
Основная идея способа заключается в том, что слой катализатора выполняет не только свою основную функцию - ускорение реакции, но также и является регенератором теплоты.
В начале процесса неподвижный слой катализатора разогревают до некоторой температуры, при которой экзотермическая химическая реакция протекает со значительной скоростью иэ следовательно, с высокой скоростью выделения теплоты. Затем в реактор подают реакционную смесь с существенно более низкой входной температурой (рис. 1а). За счет того, что катализатор уже разогрет, реакция протекает с достаточной скоростью, причем по длине слоя катализатора устанавливается определенный температурный профиль, перемещающийся во времени.
Рис. 1. Адиабатический каталитический реактор с периодически переключающимися направлениями движениями реакционной смеси.
Постепенно температура входного участка катализатора уменьшается, а выходного - остается достаточно высокой или растет. В некоторый момент времени производят переключение направления подачи холодного реагента (рис. 16). Тепловой фронт начинает перемещаться в противоположном направлении.
Протекание реакции в нестационарном режиме при низких температурах на входе в слой поддерживается за счет того, что в область высоких температур слоя непрерывно поступает реакционная смесь с непрореагировавшим исходным компонентом, который превращается в этой области с выделением теплоты. Часть теплоты химической реакции сохраняется в реакционном объеме. Развитая поверхность зерен катализатора обеспечивает хороший теплообмен между разогретым катализатором и холодным потоком газа, что доводит температуру последнего до вполне достаточной, чтобы протекала реакция.
На рис. 2 приведены профили температур и степеней превращения по длине слоя катализатора, рассчитанные для описанного нестационарного реактора при протекании обратимой экзотермической реакции первого порядка
Пусть до пуска реактора температура в слое катализатора одинакова во всей длине и равна То (кривая 1). В момент времени Х1=0 в слой вводят реакционную смесь с температурой Т„. Кривые 2 и 3 передают профили температуры и степеней превращения в последующие моменты времени х2 и х3. Происходит постепенное охлаждение левой части слоя. В момент времени х3 изменяют направление подачи реакционной смеси на противоположное. С этого момента начинает охлаждаться правая часть слоя, ставшая уже входным участком, а область высоких температур перемещается влево (кривые 4 и 5). Температура на выходе из слоя повышается, но благодаря тепловой емкости катализатора это происходит постепенно. Переключение направления подачи смеси осуществляется в момент времени х6, когда температура на выходе из слоя достигает значения Т„ (температуры переключения). Тепловой фронт опять начинает перемещаться слева направо.
Рис. 2. Профили температур (а) и степени превращения (б) по длине слоя катализатора , работаюшего в нестационарном режиме, в различныемоменты времени: 1-τ1 , 2- τ2 , 3 - т3 4-τ4, 5 – τ5 , 6- τ6
По достижении на выходе из слоя температуры Тп опять производят переключение направления подачи реакционной смеси и т. д. Последующие профили температур и степени превращения будут такими же, как кривые 4, 5 и 6, - идущими то слева направо, то справа налево. В слое устанавливается периодически повторяющийся автотермический режим: количество теплоты, пришедшее с реакционной смесью в течение цикла, плюс количество теплоты, выделенное в течение этого цикла, равно количеству теплоты, отведенному из слоя с выходящей смесью.
Как видно из рис. 2, профили температур на выходе из слоя катализатора (кривые 4, 5, 6) понижаются с ростом степени превращения, т.е. ход процесса соответствует оптимальному температурному режиму. Соответствующим выбором температуры переключения, линейной скорости, размера зерна катализатора, температуры на входе можно добиться хорошего приближения к линии оптимальных температур и, как следствие,, получить в одном адиабатическом слое катализатора высокую степень превращения при сохранении высокой производительности.
На рис. 3 приведена линия оптимальных температур (кривая 2), проведение по которой экзотермической реакции обеспечивает максимально возможную скорость
Рис. 3. Диаграмма Ха - Т для обратимой экзотермической реакции
1 - равновесная кривая; 2 - линия оптимальных температур; рабочая линия осуществляемого в реакторе процесса; 3-с последовательно расположенными споями катализатора и промежуточным отводом теплоты; 4 - в одном слое катализатора при работе в нестационарном режиме.
Линия 3 показывает ход процесса при традиционном осуществлении его в стационарном реакторе с последовательно расположенными слоями катализатора и промежуточным отводом теплоты. Теоретически оптимальный режим требует понижения температуры с ростом степени превращения, а в адиабатическом слое, работающем в стационарном режиме, имеет место обратная картина. Кривая 4 отражает режим в одном адиабатическом слое, работающем в нестационарном режиме и обеспечивающем общую степень превращения такую же, как и в стационарном реакторе, отвечающем линии 3.
Содержание
С
Химические реакторы 3
Классификация реакторов 3
Реактор идеального смешения периодический 5
Реактор идеального вытеснения (РИВ 9
Реактор идеального смешения непрерывный 12
Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) 15
Графический метод расчета К-РИС 20
Влияние кинетики на выбор типа реактора 22
Параллельные и последовательные реакции 25
Селективность, выход, степень превращения 26
Влияние температуры на селективность 27
Последовательные реакции 30
Зависимость селективности от степени превращения 31
Химические реакторы с неидеальной структурой потока 33
Модели реакторов с неидеальной структурой потока 36
МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА
СТРУКТУРА ПОТОКА И ПОПЕРЕЧНЫЙ ПЕРЕНОС
ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВА И ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ
Продольное перемешивание И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ времениПРЕБЫВАНИя
КАСКАД РЕАКТОРОВ СМЕШЕНИЯ
ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ времени ПРЕБЫВАНИя
Ячеистая модель 36
Каталитические процессы 37
Сущность и виды катализа 38
Активность катализаторов 40
Селективность (избирательность) катализаторов 41
Гомогенный и гетерогенный катализ 42
Важнейшие характеристики катализаторов 45
Аппаратурное оформление каталитических процессов 48
Принципы теплообмена в контактных аппаратах и узлах 50
Полочний контактный аппарат 51
Недостатки фильтрующего слоя катализатора 54
Аппараты с кипящим слоем катализатора 55
Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях