ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Оптимальная пористая структура из "Моделирование каталитических процессов и реакторов" При разработке катализатора основное внимание уделяют выбору его оптимального химического состава, обеспечивающего наивысшую активность и избирательность. Однако необходимо учитывать, что эффективность использования катализатора в промышленности зависит от активности единицы его объема. Поскольку скорость химического превращения в пористом зерне уменьшается вследствие процессов переноса, важным фактором является также пористая структура, которая определяет внутреннюю поверхность и размер пор. С увеличением внутренней поверхности возрастает активность единицы объема катализатора. Однако при этом уменьшается размер пор, что затрудняет доступ реагентов зерна, и следовательно уменьшается степень использования внутренней поверхности, а также и избирательность сложных процессов. [c.74] Для данного катализатора Куд приблизительно постоянная (для данного состава газа), и максимуму активности соответствует максимум произведения 5удТ]. [c.75] С уменьшением размера пор увеличиваются 5уд и активность единицы объема катализатора. Одновременно возрастает параметр ф и, следовательно, внутридиффузионное торможение. При преобладании молекулярной диффузии и в области, переходной к кнудсеновской, 5уд сильнее влияет на активность, чем на П. т.е. с уменьшением размера пор увеличивается А . В области кнудсеновской диффузии )дф 110к=8/ЗПЕ/5уд /2ДГ/лЛГ наблюдаемая активность зерен катализатора максимальна и не зависит от размера пор, если процесс протекает в диффузионной области (рис. 2.27). [c.75] 116) следует, что возрастает с увеличением е. Таким образом, анализ модели показал, что оптимальной является монодисперсная структура с максимальной пористостью и размером пор, обеспечивающим кнудсеновский характер диффузии и диффузионный режим процесса на зерне. [c.76] Оптимальную пористость найдем из (2.122). Из этого уравнения следует, что е - должно быть минимально (е - д), что соответствует наиболее плотной упаковке микроглобул, образующих макроглобулы. Оптимальная доля макропор опт соответствует максимуму произведения (1 - eJ j, т.е. = 0,a. [c.77] При средних давлениях (10-15 атм) оптимальной является монодисперсная структура с радиусом пор 100-500 А. [c.78] Если протекает сложная реакция, то селективности процессов в диффузионной и кинетической областях различаются. Исключение составляет процесс с параллельной схемой превращения, в которой порядки частных реакций одинаковые. В этом случае диффузионное торможение не влияет на селективность процесса. Если порядок полезной частной реакции больше, чем побочной, внутридиффузионный перенос вещества увеличивает селективность. [c.78] Рассмотрим последовательную схему реакции R- S. Активность катализатора выше, если увеличить Sy , но диффузионное торможение возрастает, и уменьшается селективность процесса (см. рис. 2.6), которая зависит от соотношения констант скоростей частных реакций i j/ i и параметра Ф в соответствии с уравнением (2.44). [c.78] Следует отметить, что селективность процесса зависит также от соотношения концентраций компонентов 1 и fi на поверхности зерна и поэтому будет меняться с глубиной протекания реакции. Для процесса с последовательной схемой превращения в слое катализатора характерно (рис. 2.28) экстремальное изменение концентрации промежуточного продукта R, уменьшение интегральной S и дифференциальной S селективностей (S, S - соотношение соответственно выходов и скоростей образования R и всех продуктов). Поэтому в качестве критерия оптимальности пористой структуры катализатора целесообразно использовать максимальную интенсивность процесса с ограничением на интегральную селективность при заданной степени превращения или максимальный выход промежуточного продукта R. В любом случае влияние внутридиффузионного торможения однозначно определяется параметром ф1, который зависит от выбранного типа ограничения (на дифференциальную или интегральную селективность или максимальный выход). [c.78] Уравнение (2.124) показывает, что удельная активность и размер зерна катализатора влияет на параметры оптимальной пористой структуры е, К и, следовательно, Поэтому от условий протекания процесса (температура, размер зерна) зависят параметры оптимальной пористой структуры. [c.79] Рассчитан выход формальдегида в слое идеального вытеснения при различных значениях параметра Фх - его максимальног значение 0,95 при Ф1 = 16,8 для 329 °С и Ф1 = 3,66 для 270 °С. Затем для двух размеров зерен катализатора моно- и бидисперсной структуры были определены размеры пор, обеспечивающие максимальную интенсивность процесса (минимальное время контакта) для достижения заданного выхода формальдегида. Результаты приведены в табл. 2.6, из которой видно, что при различных температуре и размере зерна оптимальные его структуры не одинаковы. Принято = б 5 32. Если размер пор монодисперсной структуры более 1000 А и мало отличается от при переходе к бидисперсной структуре неравенство (2.125) не выполняется. В этом случае монодисперсная структура будет оптимальной. [c.79] Если диффузия близка к молекулярной, то оптимальной будет монодисперсная структура, если к кнудсеновской, то, как и для твердого катализатора, - бидисперсная структура макропор с размерами, обеспечивающими молекулярный характер диффузии, и микропор, создающими необходимую удельную поверхность катализатора. [c.80] Полная степень использования жидкой пленки будет при т)ж 1 из (2.126) можно определить предельную толщину полностью используемой жидкостью пленки (при этом ф 0,5/т). [c.80] Условие (2.128) выполняется, если диффузия в порах монодисперсной структуры близка к кнудсеновской. [c.81] Как следует из (2.127), максимум активности катализатора совпадает с максимумом произведения (1 - е)11(ФоУ(1 - е)/е), откуда находим оптимальную пористость для моно- и бидисперсных структур (рис. 2.29). Во внутридиффузионной области для монодисперсных структур е 0,5, для бидисперсных = 0,5 и минимальная пористость микроглобул. Зависимости параметра кнабл/ масс ип (д реакции первого порядка) от пористости катализатора для монодисперсных структур показаны на рис. 2.30. [c.81] Из изложенного видно, что в порах радиусом 2000- 5000 А диффузия близка к молекулярной и дальнейшее увеличение размера пор на активность катализатора влияет незначительно. [c.82] Активность катализаторов окисления диоксида серы монодисперсной пористой структуры при радиусе пор 520 А равна 0,56. [c.82] Вернуться к основной статье