ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Аэродинамическое моделирование каталитических реакторов из "Моделирование каталитических процессов и реакторов" Один из этапов разработки химических реакторов - аэродинамическое моделирование (см. рис. 3.4). Его появление определено следующим. С одной стороны, методы аэродинамики позволяют определить структуру потока в реакторе, что необходимо для построения в нем математической модели процесса, с другой стороны, - разработать такие конструкции отдельных узлов реактора, которые обеспечивают необходимые условия протекания процесса в нем. Аэродинамическое моделирование проводят также по масштабным уровням протекания процесса в реакторе, что было использовано при анализе процессов на зерне катализатора и в слое. [c.231] В работе [311] были проведены расчеты распространения струи в неподвижном зернистом слое и уменьшения неравномерности распределения скорости, обусловленной входным устройством, показанным на рис. 4.30,а. Результаты расчета и эксперимента представлены на рис. 4.34. Скорость потока и определяли по перепаду статических давлений в горизонтальных сечениях слоя. Струя проникает на значительную глубину, а свободное надслоевое пространство улучшает распределение. [c.233] Одним из рациональных путей равномерного распределения потока перед слоем является совмещение безотрывного диффузора с распределительной решеткой, что осуществляется установкой перфорированного криволинейного диффузора, форма которого описывается лемнискатой. Распределение безразмерного перепада полных давлений в зернистом слое для различных условий распределения также показано на рис. 4.35. Безотрывные диффузоры обеспечивают практически равномерный профиль скоростей на входе в слой (А р 8%), который слабо зависит от неравномерностей поля скорости в подводящем патрубке. [c.235] При боковом вводе потока наличие ступеньки между краем входного патрубка и слоем также приводит к появлению отрывных течений (рис. 4.30,в,г). В результате этого поток плохо распределяется по сечению слоя, а в области отрывных течений может иметь обратное направление движения (рис. 4.36), что обнаружено в опытах по отрицательным значениям скорости и в этой области. Увеличение соотношения 5 площадей сечения патрубка Г вх и полного сечения аппарата Fgп (5 = ап/ вх) и сопротивления слоя (параметра Ей) уменьшает неравномерность газораспределения. При 5 16 уступ и сопротивление слоя практически не влияют на неравномерность скорости, которая составляет 10 - 20% от средней по сечению. Эта неравномерность характерна для слоя со случайной упаковкой зерен. [c.235] Следует отметить, что если отрывные течения возникают только сверху входного патрубка (см. рис. 4.30,г), то они также могут вызвать неоднородное распределение потока. [c.235] При выводе уравнения учитывали преобладание инерционных сил, работу отделения массы от потока, отсутствие прилипания потока к стенке вследствие истечения вещества через нее. [c.236] Если задаться целью обеспечить равномерный отток по длине трубки (v = onst), то уравнение (4.101) упрощается, так как = и =0 и можно определить необходимую скорость потока (и) по длине трубки вследствие изменения ее радиуса (сужающийся канал) или перфорации боковой стенки. В работе [314] даны значения коэффициентов а и Ь и для другой геометрии надслоевого пространства. Приведенное уравнение дает довольно хорошую оценку для выбора такого распределителя потока. [c.237] В отличие от входных распределительных устройств требования к выходным устройствам менее жесткие, так как, во-первых, возмущения слабо передаются против основного потока и быстро затухают, и, во-вторых, конфузорные течения (с возрастающей скоростью потока) являются устойчивыми. Тем не менее аэродинамические испытания необходимы также при разработке соответствующих выходных устройств. [c.237] Смесители потоков. Важным узлом химических реакторов являются смесители потоков. Их устанавливают, например, между слоями катализатора. Смешение потоков в трубе происходит на расстоянии не менее 10 - 12 ее диаметров. При учете чувствительности каталитического процесса к неоднородностям по концентрации требуется довольно тщательное перемешивание потоков. Очевидно, что это происходит на длине 15-20 диаметров трубы. Поэтому необходимы специальные смесители, обеспечивающие перемешивание потока на коротком расстоянии в реакторе. [c.237] Надо рассматривать перемешивание в одном потоке одной струи или системы струй, отличающихся по физическим и динамическим критериям системы. Этой проблеме посвящен ряд фундаментальных монографий (например [315, 316]). Поэтому ниже кратко изложены некоторые подходы к выбору смесительных устройств. [c.237] Нередко используют смеситель, показанный на рис. 4.38. Он представляет собой пакет эжекционных трубок, каждая из которых обеспечивает полное смешение двух струй. Поскольку равномерное распределение потоков по трубам не может быть обеспечено, после такого смесителя необходимо перемешать образовавшиеся струи. Распределение по диаметру трубы концентраций кислорода и метана на расстоянии нескольких диаметров газохода после смесителя (перед реакто- ром парокислородной конверсии метана) показано на рис. 4.38. Очевидна неполнота смешения реагентов и появление перепадов температуры в сечении реактора вследствие неоднородности протекания реакции. Аналогичную картину наблюдали в случаях, когда для смешения потоки разбивали на параллельные струи. [c.237] Смешение турбулентных струй определяется следующими параметрами соотношением кинетических энергий смешивающихся потоков q = Pivjf/pjv , начальной интенсивностью турбулентных пульсаций е и относительной длиной камеры смешения L/d. Индексы 1 и 2 относятся к параметрам основной и спутной струи L,d - длина и гидравлический диаметр смесительной камеры. [c.239] Для других газодинамических параметров режим течения находится в автомодельной области для условий работы каталитических реакторов [309]. Если q зависит от соотношения смешиваемых потоков, то е можно менять конструктивным оформлением смесительных форсунок. Некоторые данные о смешении потоков приведены на рис. 4.39 [309]. Турбулизация потока в форсунках специального устройства резко улучшает смешение. Сильное влияние на полноту смешения оказывает соотношение смешиваемых потоков, характеризуемое параметром q. Аэродинамические исследования показали, что q должно быть не менее 15-20. [c.239] Особую трудность вызывает смешение потоков между слоями катализатора в объеме с большой площадью и малой относительной высотой. Параллельные струи не обеспечивают необходимой полноты смешения. Для этого используют спиральный канал типа трубы Вентури, расположенного поперек основного потока (рис. 4.40). Путь смешения в нем составляет 8-10 калибров. Во избежание неравномерности распределения потока в последующем слое катализатора после смесителя устанавливают распределитель потока. [c.239] Вернуться к основной статье