ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Математическая модель нестационарного процесса с учетом реверса из "Основы конструирования и проектирования промышленных аппаратов" Один из возможных способов удержания теплового фронта в неподвижном слое катализатора - периодическое переключение направления подачи (реверс) газовой смеси. Рассмотрим этот нестационарный способ организации гетерогенного каталитического процесса подробнее. [c.306] Описание способа. В предварительно нафетый неподвижный слой катализатора при низкой температуре подается реакционная смесь. Нафеваясь от теплоемкого катализатора, смесь достигает температуры, при которой химическая реакция протекает со значительной скоростью. Тепло, вьщеляющееся в ходе реакции, еще больше увеличивает температуру смеси. В слор создается крутой температурный фронт, движущийся в направлении фильфации газовой смеси. Для сохранения тепловой энергии слоя через определенный промежуток времени направление фильтрации меняют на противоположное. При такой организации процесса слой катализатора выполняет не только свою основную функцию - ускорение химической реакции, -но и функцию регенератора тепла. [c.306] Возможная технологическая схема реактора с реверсом подачи представлена на рис. 6.13. Согласно этой схеме, газовая смесь в слой катализатора 7 может подаваться либо сверху вниз, когда клапаны 2 открыты, а 2 закрыты, либо снизу вверх, когда клапаны 2 закрыты, а 2 открыты. [c.306] Никаких других упоминаний о процессе с реверсом ни в одной из опубликованных работ Д. А. Франк-Каменецкого не содержится. Вывод о технологической нецелесообразности способа верен только в узкой области условий проведения эксперимента. [c.307] Более широкие экспериментальные исследования по окислению диоксида серь на ванадиевом катализаторе, обезвреживанию отходящих газов от вредных примесей и сжиганию пропан-бутановых смесей на оксидных катализаторах, процессов синтеза аммиака, метанола и других показали эффективность использования способа с реверсом в технологии. На базе этих экспериментов уже внедрен в промышленность способ с реверсом реакционной смеси. Экспериментам предшествовало теоретическое предсказание принципиальной возможности осуществления и эффективности процесса с реверсом для обратимых экзотермических реакций. Численные расчеты по различным вариантам математической модели процесса позволили спланировать работы на опытно-промышленных установках и рассчитать характеристики этих промышленных агрегатов. [c.307] Математическая модель. Математическое описание процессов в неподвижном слое катализатора при периодическом реверсе подачи газовой смеси настолько сложно, что для его анализа удается использовать только численные методы. Качественный анализ проводится при упрощающих допущениях. [c.307] Предложены два основных варианта упрощения модели модель теплового фронта, соответствующая редким переключениям модель скользящих режимов, соответствующая частым переключениям. Упрощенные модели поддаются качественному анализу. В математической модели процесса с реверсом направления подачи необходимым образом должны быть учтены следующие факторы, определяющие его специфику. [c.307] Параметры системы (6.12)-(6.15) не зависят от 1н t. [c.309] Обозначения Г, Г х, То - температуры слоя, на входе в слой и начальная с, Свх Со соответствующие значения концентрации реагента в газовой смеси в слое, на входе и начальное и - линейная скорость потока газовой смеси, отнесенная к полному сечению слоя W T, с) - скорость химической реакции ДГад - адиабатический разогрев смеси при полной степени превращения I, L -текущая и общая длина слоя катализатора X - эффективный коэффициент продольной теплопроводности слоя - средняя обммная теплоемкость слоя катализатора Ср - средняя объемная теплоемкость реакционной смеси е -пористость слоя катализатора у = Ср + Сел D - эф ктивный коэффициент диффузии реагента в газовой смеси. [c.309] Эта модель удовлетворительно описывает процессы в адиабатическом слое катализатора при допущениях градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны химические процессы на внутренней поверхности зерен и диффузионные процессы внутри пористых зерен квазистационарны по отношению к процессам переноса в газовой фазе процессы межфазного тепло- и массообмена настолько интенсивны, что температура и концентрация реагента в твердой и газовой фазе неразличимы. [c.309] Существенные изменения приходится вносить в граничные условия (6.14). Начальные условия (6.15) остаются без изменений. [c.309] При положительном направлении скорости подач[и газа (ы(0 0 ы = и ) условия (6.16) совпадают с условиями (6.14). При офицательном направлении (и(Г) 0 ы = и) мы приходим к условиям (6.14), в которых начало и конец слоя катализатора поменялись местами. [c.310] За промежуток времени, равный величине - времени мифации высокотемпературной зоны от начала до конца реактора, необходимо хотя бы один раз изменить направление подачи газовой смеси, иначе высокотемпературная зона будет вытеснена из реактора и непрерывность процесса с высокими температурами в реакционной зоне окажется невозможной (здесь обсуждается ситуация, в которой высокотемпературная зона мифирует в направлении подачи газовой смеси). [c.310] Заметим, что интервал (т , /м), в котором разумно применять квазистационарное приближение, может быть довольно широким (обычно 103). Режимы, получающиеся в этом интервале частот переключений (при относительно низких и относительно высоких частотах), могут существенно различаться по своим свойствам. Анализируя эти две крайние ситуации, используя соответствующие им упрощенные математические модели, можно получить оценки основных характеристик рассматриваемого нестационарного процесса. [c.311] На рис. 6.14 приведены профили температур и степеней превращений по длине слоя катализатора, рассчитанные на ЭВМ на основании системы уравнений (6.17) при протекании одной обратимой экзотермической реакции А В. [c.312] В заключение приведем кратко основные преимущества обсуждаемого здесь нестационарного способа осуществления химических реакций в режиме периодического изменения направления подачи реакционной смеси в неподвижный слой катализатора. [c.314] Вернуться к основной статье