ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Массопередача из "Массопередача в гетерогенном катализе" Реакторы с кипящим слоем катализатора впервые были применены в крупном масштабе в процессе каталитического крекинга. В настоящее время их используют при осуществлении многочисленных химических реакций. Область их применения постоянно расширяется. Сюда относятся, в частности, окисление нафталина (ортоксилола) во фталевый ангидрид, получение акрилонитрила из аммиака, пропилена из воздуха. [c.99] В больших масштабах применяется кипящий слой в реакциях, сопровождающихся изменением состава твердой фазы (обжиг известняка и различных руд). Ведутся исследования по очистке дымовых газов от окислов серы в кипящем слое. [c.99] Важной особенностью реакторов с кипящим слюем является равномерное температурное поле. Это обусловлено высокой турбулентностью системы, высокой теплоемкостью твердой фазы по сравнению с газом и интенсивным теплообменом между газом и твердой фазой в сочетании с развитой поверхностью последней. Постоянство температуры в слое благоприятно сказывается на селективности реакций. [c.99] Другим достоинством реакторов с кипящим слоем является возможность организации непрерывных по твердой фазе процессов без использования движущихся устройств, так как ввод и удаление твердой фазы из реактора осуществляются в таких системах сравнительно просто. По сравнению с вращающимися печами и полочными реакторами в аппаратах с кипящим слоем достигается более полный контакт между твердой фазой и газом. [c.100] Недостатками кипящего слоя являются возможность агломерации частиц, приводящей к потере текучести слоя, истирание твердого материала, требующее восполнения потерь и необходимость применения устройств для удаления пыли. Кроме того, потери напора в кипящем слое выше, чем в стационарном слое. Наконец, сложный характер контактирования фаз затрудняет увеличение масштабов аппаратов. [c.100] С увеличением скорости газа, фильтрующегося через слой мелких частиц, потери напора в слое возрастают до тех пор, пока их величина не становится равной весу слоя. В этой точке, определяемой как начало псевдоожижения (или первая критическая скорость), частицы начинают перемещаться по отношению друг к другу. При дальнейшем увеличении скорости слой расширяется и в конечном счете начинается вынос частиц из слоя. [c.100] Если скорость газа и в аппарате превышает скорость начала псевдоожижения С/д, то в слое образуются газовые пузыри, размеры которых увеличиваются при движении их вверх. Поэтому кипящей слой можно рассматривать как систему, состоящую из двух фаз. Первая из них называется непрерывной (плотной) и ее порозность е,, практически та же, что и для слоя при скорости начала псевдоожижения. Вторая фаза называется дискретной и с нею через слой проходит в виде пузырей весь газ, избыточный по отношению к необходимому для начала псевдоожижения. В этой фазе твердые частицы отсутствуют или содержатся в незначительном количестве. [c.100] Скорость движения газа в плотной фазе близка к скорости начала псевдоожижения. Пузыри, образующие дискретную фазу, при движении вверх увеличиваются за счет газа, притекающего в них из плотной фазы. [c.100] Количественные модели реакторов с кипящим слоем разрабатывались многочисленными исследователями. Особенно интересны модели Дэвидсона и Харрисона с сотр. [89] и Роу [279, 280], так как они учитывают роль пузырей в кипящем слое. Это позволяет более наглядно представить процессы, протекающие в слое. Эти и другие модели не дают исчерпывающего представления об особенностях кипящего слоя, и проектирование промышленных аппаратов является в значительной степени эмпирическим. [c.101] Ниже суммированы сведения об основных особенностях кипящего слоя, необходимые для понимания дальнейшего изложения. [c.101] Скорость подъема пузыря практически не зависит от размера и плотности частиц. Для пузыря диаметром 7 см она составляет около 0,6 м/с, что в 10—20 раз превышает скорость газа в плотной фазе. [c.101] Пузыри практически не содержат твердых частиц, хотя и наблюдается периодическое осыпание последних с верхнего свода, приводящее к разрушению пузыря. При движении пузыря образуется кильватерный след из частиц, движущихся вверх вместе с пузырем. Твердые частицы движутся также вокруг пузыря таким образом, что позади каждого пузыря образуются струи твердого материала, увлекаемые вверх. Перемещение твердого материала, обусловленное движением пузырей, приводит к интенсивному продольному перемешиванию твердой фазы. [c.101] Нисходящее движение частиц по поверхности пузыря приводит к образованию своеобразной оболочки из частиц, ограничивающей объем пузыря и поднимающейся вместе с ней. Газ просачивается через свод оболочки, обтекая его, увлекается к основанию пузыря нисходящим потоком частиц и возвращается в нижнюю часть полости пузыря. Так как при этом циркулирующий газ не выходит за пределы оболочки, то перемешивание газа, содержащегося в пузыре, с газом плотной фазы незначительно . [c.101] Отношение диаметров оболочки и пузыря незначительно изменяется с изменением отношения скорости пузыря к скорости в плотной фазе. При значениях ИвШо, равных 2 10 и 20, указанное отношение диаметров равно соответственно 1,16 1,1 и 1,05 [279]. [c.101] Скорость газа в промежутках между частицами приближенно принимают равной критической скорости, отнесенной к незаполненному сечению аппарата. Для частиц диаметром 200 мкм при вязкост и воздуха 2-10 Н-с/м2 значение скорости в промежутках между частицами по уравнению (11.29) получается равным 0,03 м/с, что примерно в 20 раз ниже типичного значения скорости подъема пузыря. [c.102] Так как значение пропорционально квадрату диаметра частицы, то распределение потока газа между двумя фазами слоя сильно зависит от диаметра частиц и их фракционного состава. В аппарате с однократной загрузкой твердого материала размер частиц будет непрерывно уменьшаться в результате истирания, и поэтому доля газа, проходящего через слой в виде пузырей, будет возрастать. [c.102] Как уже отмечалось, подъем пузырей сопровождается увеличением их размеров за счет газа, перетекающего из плотной фазы, так как давление в последней выше, чем в пузырях. Скорость роста пузырей возрастает при переходе к более крупным частицам, так как они оказывают меньшее сопротивление перетоку газа из плотной фазы в пузыри. Существует некоторый предельный размер пузыря, превышение которого приводит к его разрушению в результате осыпания частиц со свода. Если размер пузыря приближается к диаметру аппарата, то возникает так называемый поршневой режим. При этом газ движется через аппарат в виде четко ограниченных объемов, через которые периодически осыпается вниз твердый материал. Условия контактирования для такого режима весьма специфичны. В лабораторных аппаратах с высотой слоя 0,3—0,6 м диаметр пузырей может достигать 25—50 мм. Геометрия промышленных аппаратов такова, что в них более вероятно движение газа в виде пузырей без перехода к поршневому режиму. [c.102] Модель, предложенная Дэвидсоном для описания химической реакции в кипящем слое, основана на допущении, что реакция протекает только в непрерывной фазе. Анализ модели сосредоточен на определении максимальных возможных размеров пузырей, причем размеры принимаются постоянными по высоте слоя. Принимается, что обмен газом между пузырем и непрерывной фазой осуществляется путем молекулярной диффузии и просачивания газа из плотной фазы в пузырь. [c.102] Предложенный для этой модели метод расчета скорости массопередачи содержит значительные неопределенности, связанные главным образом с механизмом достижения максимальных размеров пузырей. Поэтому при анализе результатов реакций диаметр пузыря подбирается исходя из наилучшего совпадения расчетных и опытных данных. Типичные значения диаметра пузыря, вычисленные по результатам исследования реакции, лежат в пределах 5—10 см. Эти цифры удовлетворительно совпадают с полученными на основании изучения расширения слоя, а также в опытах с меченым газом и при изучении скорости подъема пузырей. В слоях крупных частиц размеры пузырей могут достигать 0,3 м и более. [c.102] Роу в своей модели допускает протекание быстрого обмена газом между объемом пузыря, с одной стороны, и наружной оболочкой и кильватерным следом — с другой. Далее принимается, что обмен между оболочкой пузыря и плотной фазой отсутствует. Отсюда следует, что газ, выходящий из реактора сверху, представляет собой смесь газов из двух потоков, параллельно прошедших слой без взаимного обмена в нем. Этим модель Роу существенно отличается от модели Дэвидсона, который допускает непрерывный обмен между фазами. [c.103] Вернуться к основной статье