ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Расчет реакторов для систем газ—твердый катализатор из "оборудование производств основного органического синтеза и синтетических каучуков" Основными задачами расчета реакторов для систем газ — твердый катализатор являются определение объема катализатора, необходимого для достижения заданной степени превращения, определение высоты слоя катализатора, наивыгоднейшего числа реакторов и, наконец, диаметра труб или эквивалентного диаметра меж- трубного пространства (если используется реактор трубчатого типа). [c.145] При расчете возникает много трудностей, связанных с чрезвычайной сложностью протекающих в реакторе процессов. Прежде всего необходимо учесть, что для достижения определенной степени превращения реагирующие вещества должны находиться в реакторе определенное время, которое обусловлено скоростью химической реакции. Эта скорость для каталитических процессов находится в сложной зависимости от кинетических и диффузионных факторов. [c.145] Кроме того, реакции протекают с определенными тепловыми эффектами, а в реакторе необходимо поддерживать температуру, близкую к оптимальной. Поэтому реактор (его конструкция и размеры) должен обеспечивать надлежащий теплообмен. [c.145] Из сказанного следует, что для обоснованного вычисления основных размеров реактора необходимо совместное решение уравнений кинетики реакции, диффузии, теплопередачи и гидродинамики. Эти уравнения весьма сложны и решение их систем обычными приемами возможно лишь в очень редких случаях. Поэтому длительное время вообше не существовало достаточно надежных методов расчета реакторов. Лишь в последние годы, благодаря развитию вычислительной техники, в деле расчета реакторов произошли коренные, принципиальные изменения. Применение аналоговых и цифровых вычислительных машин позволило находить общий вид и решать системы уравнений любой степени сложности, находить оптимальные условия работы реакторов и на этой основе получать точные данные о наивыгоднейших размерах реакционных устройств. [c.145] Следует отметить, что проведению расчета реактора на аналоговых и цифровых вычислительных машинах должно предшествовать всестороннее изучение рассматриваемого процесса в лабораторных условиях. При этом лабораторные исследования должны быть направлены не на воспроизводство промышленных условий, а на познание первичных закономерностей отдельных стадий процесса. Необходимо изучение кинетики собственно химического превращения индивидуальны веществ (без искажающего влияния физических факторов) с раздельным изучением основных и побочных процессов в широком интервале температур и концентраций. Необходимо также отдельное изучение гидродинамики потока в реакторе, теплопередачи и т. п. Результаты этих исследований дают основу для математического описания процесса и программирования. [c.145] Подобные расчеты реакторов достаточно сложны, требуют наличия сложных вычислительных машин, а также, как указывалось, большого экспериментального материала и не всегда доступны в настоящее время. Поэтому сохраняют свое значение и более простые, приближенные методы, позволяющие в ряде случаев оценить размеры реакторов. [c.146] Слой катализатора в работающем реакторе представляет собой сложную гетерогенную систему, в которой частицы катализатора взаимодействуют с обтекающим их потоком газа. Химические процессы протекают на поверхности катализатора, к которой и от которой осуществляется транспорт реагирующих веществ и продуктов реакции путем внешней и внутренней диффузии. Поскольку все химические превращения (а также адсорбция и десорбция) -сопровождаются тепловыми эффектами, необходим соответствующий теплообмен для поддержания оптимальной температуры. [c.146] Таким образом, определение основных характеристик реактора объема катализатора (времени контакта), распределения температур по-сечению и длине слоя, изменения концентрации по длине слоя и других, может быть осуществлено только путем совместного решения уравнений, описывающих кинетику реакции, гидродинамическую обстановку (условия диффузии) и теплопередачу в слое катализатора. Обычно это — сложные дифференциальные уравнения, совместное решение которых аналитическими ме-тодами невозможно. Эти задачи решаются с помощью электрон-ных вычислительных машин. Однако для очень простых случаев и при известных допущениях можно получить приблизительные решения и аналитическим методом. [c.146] Во всех гетерогенных каталитических реакциях первой стадией процесса является транспорт реагирующих веществ к поверхности катализатора, второй стадией — собственно химическая реакция на поверхности. [c.147] Если схематически (рис. IV.30) изобразить явления, протекающие на поверхности катализатора, то мы получим следующую картину. [c.147] Реагирующее вещество имеет концентрацию в объеме, равную сь и диффундирует к поверхности катализатора через поверх постную пленку толщиной б, при этом концентрация его на катализаторе будет В результате химической реакции образуется продукт, концентрацию которого обозначим с - Он диффундирует в объем, где устанавливается концентрация продукта реакции Сг. [c.147] Для определения конкретных размеров реактора необходимо решить совместно уравнения теплопередачи и скорости реакции. Тогда могут быть найдены длины и диаметры труб, при которых удовлетворяются требования теплообмена и обеспечивается необходимый реакционный объем. [c.148] В данном случае следует решать задачу относительно полученного вещества, так как именно его количеством определяется тепловой эффект процесса. [c.148] Схн — начальная концентрация исходного вещества. [c.148] Формулы, подобные (IV. 34), можно без труда вывести для случаев противотока и постоянной температуры теплоносителя. [c.149] Пользование вышеприведенными формулами лучше всего проиллюстрировать на примере. [c.150] Расчет реакторов упрощенным методом В. Б. Фальковского. [c.150] Дальнейшее развитие рассмотренного выше метода применительно к более сложным реакциям дано В. Б. Фальковским, который рассмотрел вопросы расчета реакторов, работающих в различных условиях теплообмена. [c.150] Произведя подстановку выражения для t из (IV. 37) в (IV. 36), а затем полученного преобразованного (IV.36) в дифференциальные кинетические уравнения реакции, В. Б. Фальковский после интегрирования получил при лгнач = 0 уравнения зависимости степени. превращения х от высоты слоя катализатора Н (табл. IV. 3). [c.151] Подобным же путем могут быть получены уравнения для случаев, когда лГнач О. Эти зависимости необходимы при расчете многоступенчатых реакторов. [c.151] Вернуться к основной статье