ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Определение понятия макрокинетики из "Промышленный катализ в лекциях Выпуск4" Для данного процесса был разработан оксидный катализатор Мп/ВУа-АЬОз [8], обеспечиваюший при полной конвер- ии аммиака селективность по N20 на уровне 90 — 92%, а по N0 — не более 0,1% температура процесса 315 — 370 °С. [c.59] Для процессов селективного окисления углеводородов возможно использование смесей, содержащих закись азота как в высоких концентрациях (близких к 100%), так и с содержанием КгО до 10%(об.). Учитывая величину адиабатического разогрева окисления аммиака в закись азота (около 80 °С на 1% преврашенного аммиака), представлялось целесообразным рассмотреть возможность применения как трубчатых реакторов, так и реакторов с кипящим слоем. Такое исследование проводилось в Институте катализа СО РАН. [c.59] Для пилотных испытаний процесса в трубчатом реакторе был приготовлен Mn/Bi оксидный катализатор на а-АЬОз сферической формы. Поскольку окисление аммиака в закись азота сопровождается выделением значительного количества тепла, то проведение этого процесса в трубчатом реакторе возможно только Б ограниченной области входных концентраций аммиака и кислорода. Максимально допустимая концентрация аммиака на входе в реактор, при которой реализуются устойчивые тепловые режимы работы, определяется размерами единичной трубки, размерами и геометрией зерна катализатора, активностью катализатора и условиями проведения процесса. Предварительные оценки показали, что максимально возможные концентрации аммиака и кислорода на входе в трубчатый реактор составляют 4 7%(об.). [c.60] На основании результатов математического моделирования пилотные испытания процесса окисления аммиака проводились на установке, состоящей из единичной трубки длиной 4500 мм. [c.60] Трубка погружалась в термостат, представляющий собой слой мелкодисперсных частиц песка, псевдоожиженных воздухом (рис. 26). Типичный стационарный профиль температуры, измеренный на оси трубчатого реактора, показан на рис. [c.60] В зависимости от формы гранул катализатора, при таких ограничениях можно предложить следующие режимы эксплуатации трубчатого реактора в процессе окисления аммиака в закись азота (табл. 4). [c.61] ГО а-А120з растворами нитратов висмута и марганца с последующей прокалкой. Приготовленный таким образом катализатор имел широкое распределение частиц по размеру (10 — 120 мкм). Образцы катализатора для синтеза N20 в кипящем слое, при испытании в лабораторном проточном изотермическом реакторе показали селективность по N20 87 - 88%. [c.62] Результаты испытаний показали, что в условиях кипящего слоя селективность катализатора по N20 незначительно отличается от селективности, полученной в условиях проточного лабораторного реактора. Катализатор показал высокую стабильность, в течение всего времени испытаний не было замечено снижения его активности. [c.62] В итоге упрощенная технологическая схема получения концентрированной закиси азота при использовании реактора с кипящим слоем катализатора может быть представлена следующим образом (рис. 28). [c.63] Аммиак и кислород в мольном соотношении 1 1 подаются в реактор кипяш(его слоя R1, в котором при температуре 350 — 370 °С и давлении до 5 атм происходит селективное окисление основного количества аммиака в закись азота. Конверсия аммиака в кипящем слое составляет 98%. Выходящая из реактора кипящего слоя смесь, содержащая примерно по 1%(об.) остаточных аммиака и кислорода, попадает в реактор R2, где происходит конверсия остаточных реагентов с образованием закиси азота. В реакторе R3 происходит очистка продуктов синтеза от NOx. Газ, выходящий из реактора R3, охлаждается и попадает в абсорбер Л/, где происходит отмывка продукционного газа от аммиака. Продукционная газовая смесь, выходящая из абсорбера, содержит, в основном, закись азота и молекулярный азот в соотношении N2O N2 = 7 1. Остаточное содержание N0, в продукционном газе не превышает 40 ppm. [c.64] Следующим этапом является разработка конструкции каталитического реактора, учитывающей особенности кинетики процесса. Это позволит достичь максимального выхода целевого продукта заданного качества при минимальных капитальных затратах. [c.65] Современный уровень научных исследований позволяет реализовать и заключительный этап разработки каталитического реактора — оптимизацию гидродинамических режимов в реакторе. Цели этого этапа — обеспечение однородного состава реакционной смеси как на входе в реактор, так и внутри аппарата, минимизация потерь сырья и снижение доли побочных продуктов. [c.65] Макрокинетическая модель сложной химической реакции является наиболее важной составной частью общей математической модели химического реактора. Корректность и информативность этой модели предопределяет возможность адекватного описания работы каталитического реактора и технологического процесса в целом. В лекции рассмотрены принципы и методология построения макрокинетических моделей. [c.67] Математическое моделирование химико-технологических процессов, протекающих в присутствии катализаторов, играет важную роль при создании новых технологических процессов, направленных на получение жизненно важных продуктов, при решении задач повышения эффективности существующих производств и оптимального управления ими. [c.67] Для этой цели создаются новые катализаторы с прекрасным дизайном. Катализатор, будучи загруженный в реактор, должен работать на получение целевого продукта. Для того, чтобы выполнить задачи математического моделирования и оптимизации работы реактора, необходимо знание скоростей химических превращений на данном катализаторе. Другими словами, мы должны иметь математическое выражение, представляющее в явной форме зависимость скорости реакции от переменных состояния (концентраций, парциальных давлений, парциальных фугитивностей, температуры, давления), изменяющихся в ходе реакции в реакторе. Эти уравнения называем математической моделью кинетики или просто кинетической моделью. [c.67] Кинетическая модель — помимо переменных состояния — содержит в себе параметры (константы скорости, константы равновесия элементарных реакций, энергии активации), смысл которых вытекает из детального механизма реакции. Численные значения этих параметров на сегодняшний день не могут быть получены чисто теоретическими расчетами. Для их определения необходимы лабораторные экспериментальные данные по исследованию кинетики на данном катализаторе. На базе этих экспериментов уточняется форма кинетической модели, определяются неизвестные значения параметров — путем приведения в соответствие экспериментальных данных с предполагаемой формой кинетической модели. Содержание, адекватность, предсказательная сила конечного продукта — содержательной кинетической модели — зависит от того дизайна , который применялся при его построении. В настояш,ее время кинетический дизайн или построение адекватной кинетической модели представляет собой самостоятельное научное направление. Оно базируется на искусстве целенаправленного планирования кинетических экспериментов с целью получения информативного массива данных, на правильной оценке погрешности в данных и их коррекции строгими статистическими методами. Определение численных значений параметров — или другими словами параметрическая идентификация — использует необходимый для этой цели арсенал математических, статистических и вычислительных методов. Вычислительные методы решения задач параметрической идентификации существенно зависят от характера экспериментальных данных, полученных либо в проточном реакторе идеального перемешивания, либо в проточном реакторе идеального вытеснения, либо в реакторе закрытого типа и др. Это очевидно, поскольку уравнения математического описания перечисленных типов реакторов относятся к разным классам уравнений математической физики. В одних случаях работа ведется с системой дифференциальных уравнений с нелинейными правыми частями, в других — с системой нелинейных алгебраических уравнений, неявных относительно измеряемых в эксперименте переменных состояния. [c.68] В лекции изложены современные методы и подходы, с по-мош,ью которых решается задача построения кинетической модели. [c.69] В то же время, физико-химический подход в целом малоконструктивен в смысле производства таких кинетических зависимостей, которые содержали бы экспериментально наблюдаемые макроскопические величины и позволили бы быстро и обоснованно строить математическую модель кинетики изучаемого сложного процесса, вычислить константы кинетических уравнений, определить наблюдаемые порядки реакций. Дело в том, что квантово-химические расчеты элементарных актов проводятся с большими допущениями, а физико-химический эксперимент обычно выполняют для простых смесей в стерильных условиях при низких давлениях и температурах, далеко не соответствующих условиям протекания сложного многокомпонентного химического процесса в реакторе. [c.70] В макроскопическом эксперименте мы наблюдаем суммарное влияние элементарных процессов и всех реальных факторов на наблюдаемые скорости превращения. [c.70] Требования практики быстро и надежно освоить новые процессы и технологии методами математического моделирования породили необходимость формирования так называемого мак-рокинетического подхода к исследованию кинетики сложных химических реакций. Этот подход опирается главным образом на кинетический эксперимент, проводимый со смесью сложного состава в области температур и давлений, характерных для технологического процесса. Основное внимание концентрируется на корректной постановке этих экспериментов и последующей корректной математической обработке данных. По возможности при выводе макроскопических уравнений скорости обычно учитываются имеющиеся теоретические предпосылки о механизме реакции. В этом отношении макрокинетические модели нельзя считать чисто феноменологическими. В то же время не исключены ситуации чисто феноменологического подхода, когда вид уравнений макрокинетики отвечает только требованиям адекватного описания экспериментальных данных и однозначности оценок констант. Феноменологические модели, в области рабочих условий, для которых они построены, как правило, хорошо работают в составе математической модели реактора. [c.70] Вернуться к основной статье