Моделирование каталитических процессов. Кузнецов В.А. - 11 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

11
мышленных реакторов с неподвижным слоем катализатора влияние про -
дольной диффузии и теплопроводности , как правило, можно не учитывать.
Исключение в этом отношении могут составить внешнедиффузионные
процессы , протекающие быстро в небольших по высоте слоях катализато -
ра.
В Институте катализа СО АН СССР подробно исследовано влияние по-
перечной диффузии и теплопроводности на процесс гетерогенного ката-
лиза. При экзотермических процессах теплота реакции часто отводится
радиально через слой катализатора к стенке трубки. Скорость химическо-
го превращения связана с температурой экспоненциальной зависимо-
стью , а скорость теплоотвода - приблизительно линейной . Поэтому могут
создаться условия, когда при увеличении температуры тепловыделе-
ние будет превышать теплоотвод, и слой начнет разогреваться . По-
скольку скорость реакции зависит от концентрации реагентов, темпе-
ратура будет повышаться до тех пор, пока не израсходуются почти все
реагенты . Этот разогрев происходит быстро с резким повышением темпе-
ратуры , что соответствует условиям «теплового взрыва» , т. е. «срыву»
процесса .
Практически в большинстве случаев расчет процесса в неподвижном
слое катализатора по уравнениям (1-9) проводится на первых этапах мо-
делирования, когда изучается характер и особенности протекания про -
цесса в слое, для чего необходимо знать поле концентраций и температур
в слое катализатора. При дальнейших исследованиях аппаратов (оптимиза-
ции, определении устойчивости , параметрической чувствительности ) чаще
всего используют уравнения модели слоя идеального вытеснения. Их легко
получить из системы уравнений (1-9) приняв, что продольное и поперечное
смешения в слое катализатора пренебрежимо малы :
0=−−
A
W
dl
dC
ω ; (10)
0=±−
App
WQ
dl
dT
cωρ . (11)
Граничные условия определены в начале слоя – заданы концентрация и
температура на входе в слой :
l=0;
0
AA
CС
=
; T = T
0
. (12)
Оптимальные условия работы неподвижного слоя катализатора зависят,
главным образом, от температуры и вытекают из закономерности кинетики
каталитической реакции. Для обратимых экзотермических реакций для каж -
дой степени превращения существует оптимальная температура, при кото -
рой скорость реакции максимальна.
Реализация оптимального температурного режима требует соответствую -
щего охлаждения или нагревания катализатора, что и должна обеспечивать 
                                       11



мы ш лен н ы х реакторов сн еподвиж н ы м слоем катализатора влиян иепро-
дольн ой диф ф у зии и теплопроводн ости, как правило, мож н о н еу читы вать.
И ск лю чен ие в э том отн ош ен ии могу т составить вн еш н едиф ф у зион н ы е
процессы , протекаю щие бы стро в н ебольш их по вы сотеслоях к атализато-
ра.
   В И н ститу тек атализа С О АН С С С Р подробн о исследован о влиян иепо-
перечн ой диф ф у зии и теплопроводн ости н а процессгетероген н ого к ата-
лиза. П ри э к зотермическ их процессах теплота реак ции часто отводится
радиальн о через слой к атализатора к стен к етру бк и. С к орость химическ о-
го превращен ия связан а стемперату рой э к спон ен циальн ой зависимо-
стью , аск орость теплоотвода - приблизительн о лин ей н ой . П оэ тому могу т
созд аться у словия, к огд а при у величен ии температу ры тепловы деле-
н ие бу дет превы ш ать теплоотвод, и слой н ачн ет разогреваться. П о-
ск ольк у ск орость реак ции зависит от к он цен трации реаген тов, темпе-
рату ра бу д ет повы ш аться до тех пор, пока н еизрасходу ю тся почти все
реаген ты . Э тот разогрев происходит бы стро срезк им повы ш ен ием темпе-
рату ры , что соответству ет у словиям «теплового взры ва» , т. е. «сры ву »
процесса.
   П рактически в больш ин стве слу чаев расчет процесса в н еподвиж н ом
слоекатализатора по у равн ен иям (1-9) провод ится н а первы х э тапах мо-
д елирован ия, к огд а изу чается харак тер и особен н ости протек ан ия про-
цесса в слое, для чего н еобходимо зн ать полек он цен траций и температу р
в слоек атализатора. П ри дальн ей ш их исследован иях аппаратов (оптимиза-
ции, определен ии у стой чивости, параметрическ ой чу вствительн ости) чаще
всего использу ю ту равн ен ия модели слоя идеальн ого вы тесн ен ия. И х легк о
полу читьиз системы у равн ен ий (1-9) прин яв, что продольн оеи поперечн ое
смеш ен ия в слоек атализаторапрен ебреж имо малы :
   dC
−ω     − W A = 0 ; (10)
    dl
          dT
 − ωρ c p    ± Q pW A = 0 . (11)
          dl


  Г ран ичн ы еу словия определен ы в н ачалеслоя – задан ы кон цен трация и
температу ран авходев слой:
                         l=0; С A = C A ; T = T0 .
                                   0
                                                   (12)
  О птимальн ы еу словия работы н еподвиж н ого слоя катализатора зависят,
главн ы м образом, от температу ры и вы текаю т из закон омерн ости кин етики
каталитической реакции. Д ля обратимы х э кзотермических реакций для каж -
дой степен и превращен ия су ществу ет оптимальн ая температу ра, при кото-
рой скоростьреакции максимальн а.
  Реализация оптимальн ого температу рн ого реж има требу ет соответству ю -
щего охлаж ден ия или н агреван ия катализатора, что и долж н а обеспечивать

Страницы