Моделирование каталитических процессов. Кузнецов В.А. - 4 стр.

UptoLike

ВУЗ: 

ВГУ | Воронеж

Составители: 

Рубрика: 

4
в теоретическом отношении вопросы построения математических моделей . В
особенности это относится к последнему разделу программы , посвященному
технологическим схемам химических производств . Основательное рассмот-
рение вопросов структуры химического производства, связей между типо -
выми процессно-аппаратурными модулями, общего материального и энерге-
тического баланса производства целесообразно провести на примере некото -
рых из важнейших производств .
Гетерогенно-каталитические процессы
Внешняя диффузия
Каталитический процесс протекает во внешнедиффузионной области
при большом диаметре зерен катализатора, низкой линейной скорости газо-
вого потока и очень высоких температурах.
При этом концентрация реагентов С
А,s
и C
R,s
у внешней поверхности ка-
тализатора резко отличается от концентраций в газовом потоке C
A,g
и C
R,g
:
С
А,s
<<C
A,g
; C
R,s
>> C
R,g
.
Градиент концентраций ∆ С
А
= C
A,g
- С
А,s
и ∆С
R
= C
R,s
– C
R,g
возникает в
пограничном диффузионном слое, толщина которого δ зависит диаметра зер -
на катализатора и линейной скорости потока δ = dRe
-0,5
.
Скорость процесса , протекающего во внешнедиффузионной области ,
может быть выражена скоростью конвективного переноса к внешней по -
верхности по уравнению :
gAA
A
C
d
dn
dS
U
,
1
β
τ
≈−=
Где S – внешняя поверхность катализатора; β
А
– коэффициент массоотдачи.
При диффузии разных газообразных веществ это уравнение относится к
наиболее медленно диффундирующему компоненту . Энергия активации ге-
терогенно-каталитического процесса в этой области формально определяется
температурной зависимостью коэффициентов диффузии. Так как эта зависи -
мость слабая , энергия активации очень небольшая , близкая к нулю . Поэтому
при повышении температуры скорость реакции возрастает быстрее, чем ско-
рость диффузии, и, как следствие, в области высоких температур скорость
диффузии начинает лимитировать процесс.
При протекании каталитического процесса во внешнедиффузионной об-
ласти следует учитывать следующие нежелательные явления: при затруд-
ненной диффузии коэффициенты теплопередачи от поверхности катализато -
ра в ядро газового потока также мал, для экзотермических реакций это может
привести к сильному разогреву катализатора, нежелательному для обрати -
мых процессов (например синтез аммиака) и смещению равновесия в сторо -
ну исходных веществ . При протекании последовательных реакций торможе-
                                         4



в теоретическом отн ош ен ии вопросы построен ия математических моделей . В
особен н ости э то отн осится к последн ему разделу программы , посвящен н ому
техн ологическим схемам химических производств. О сн овательн оерассмот-
рен иевопросов стру кту ры химического производства, связей меж ду типо-
вы ми процессн о-аппарату рн ы ми моду лями, общего материальн ого и э н ерге-
тического балан сапроизводствацелесообразн о провести н апримерен екото-
ры х из важ н ейш ихпроизводств.


                     Г етероген н о-каталитическиепроцессы

                               В н еш н яя диф ф у зия

      К аталитический процесспротекаетво вн еш н едиф ф у зион н ой области
при больш ом диаметрезерен катализатора, н изкой лин ей н ой скорости газо-
вого потокаи очен ьвы соких температу рах.
      П ри э том кон цен трация реаген тов С А,s и CR,s у вн еш н ей поверхн ости ка-
тализаторарезко отличается откон цен траций в газовом потокеCA,g и CR,g :
С А,s<> CR,g .
      Г радиен ткон цен траций ∆С А = CA,g - С А,s и ∆С R = CR,s – CR,g возн икаетв
погран ичн ом диф ф у зион н ом слое, толщин акоторого δ зависитдиаметразер-
н акатализатораи лин ейн ой скорости потокаδ = dRe-0,5.
      С корость процесса, протекаю щего во вн еш н едиф ф у зион н ой области,
мож ет бы ть вы раж ен а скоростью к он вективн ого перен оса к вн еш н ей по-
верхн ости по у равн ен ию :
                                       1 dn A
                             U =−             ≈ β A C A, g
                                      dS dτ
Г деS – вн еш н яя поверхн остькатализатора; βА – коэ ф ф ициен тмассоотдачи.
      П ри диф ф у зии разн ы х газообразн ы х веществ э то у равн ен иеотн осится к
н аиболеемедлен н о диф ф у н диру ю щему компон ен ту . Э н ергия активации ге-
тероген н о-каталитического процессав э той области ф ормальн о определяется
температу рн ой зависимостью коэ ф ф ициен тов диф ф у зии. Т ак как э тазависи-
мость слабая, э н ергия активации очен ьн ебольш ая, близкая к н у лю . П оэ тому
при повы ш ен ии температу ры скорость реакции возрастаетбы стрее, чем ско-
рость диф ф у зии, и, как следствие, в области вы соких температу р скорость
диф ф у зии н ачин аетлимитироватьпроцесс.
      П ри протекан ии каталитического процесса во вн еш н едиф ф у зион н ой об-
ласти следу ет у читы вать следу ю щиен еж елательн ы еявлен ия: при затру д-
н ен н ой диф ф у зии к оэ ф ф ициен ты теплопередачи от поверхн ости катализато-
рав ядро газового потокатакж емал, для э кзотермических реакций э то мож ет
привести к сильн ому разогреву катализатора, н еж елательн ому для обрати-
мы х процессов (н апример син тез аммиака) и смещен ию равн овесия в сторо-
н у исходн ы х веществ. П ри протекан ии последовательн ы х реакций тормож е-

Страницы