Процессы на зерне и в слое катализатора

Степень использования внутренней поверхности зерна катализатора (фактор эффективности) является важнейшим интегральным показателем каталитического вклада зерна катализатора в контактно-каталитический процесс, позволяющим перекинуть мост от описания процесса на зерне к описаниям на высших уровнях иерархии гетерогенно-каталитического процесса, в масштабе слоя катализатора, контактного аппарата, агрегата в целом. [c.157]

Технологические процессы нагрева (охлаждения) твердых тел могут сопровождаться выделением теплоты в каждой внутренней точке тела. Так, в реакторе периодического действия может происходить процесс разогрева слоя катализатора за счет теплоты химического превращения. При непрерывном процессе нестационарно прогревается каждое отдельное зерно катализатора вследствие выделения теплоты химической реакции, протекающей внутри частицы катализатора. [c.43]

Далее можно выделить основные составляющие процесса неподвижного слоя катализатора в соответствии с иерархической структурой его квазигомогенной модели. Одна из составляющих - превращение в пористом зерне катализатора, другие - перенос тепла и вещества движение реагентов в слое, тепло- и массообмен между потоком и поверхностью зерен, переносы тепла и вещества по слою вдоль общего потока в поперечном направлении, отвод тепла через стенку. Если обмен между потоком и поверхностью зерен существен,, т.е. разность температур и концентраций между потоком и поверхностью значительна, то перенос тепла и вещества по слою, естественно, разделяют на две составляющие по твердой фазе слоя и через смывающий их поток. Структура стационарного процесса в неподвижном слое катализатора представлены на рис. 3.8. [c.88]

Процессы и реакторы. С учетом данных моделирования процесса в одном зерне составляют математическое описание этого процесса в слое катализатора. Для обобщения опыта моделирования промышленных процессов, сравнения достигнутых результатов и быстрой предварительной оценки путей реализации каждого нового процесса [c.481]

Почти все существующие модели регенерации закоксованного слоя катализатора относятся к неподвижному слою [146, 147, 149, 150, 160-162]. В принципе полная математическая модель нестационарного процесса в слое катализатора учитывает продольный и радиальный перенос тепла и вещества в слое катализатора, а также наличие температурных и концентрационных градиентов внутри пористого зерна, т. е. включает в себя модель (4.15)-(4.16) [159]. Математическое описание такой модели представляется очень сложной системой дифференциальных уравнений в частных производных. Поэтому, чтобы математически моделировать такой сложный процесс, как регенерация катализатора, обычно прибегают к ряду упрощающих допущений. [c.83]

Тем не менее, даже приблизительная схема процесса в слое катализатора (рис. 4.3) включает довольно много составляющих, соответственно модель процесса будет довольно сложная, и ее анализ неоправданно усложнен. Для сложного объекта (процесса) используется специальный подход к построению модели, заключающийся в его разделении на ряд более простых операций, различающихся масштабом. Например, в каталитическом процессе выделяются реакция на поверхности зерна, процесс на одиночном зерне катализатора и процесс в слое катализатора. [c.93]

Модель проточного реактора с зернистым слоем катализатора, в которой учитываются процессы внутри зерна и на его границе, фактически представляет собою двухфазную модель, хотя и усредняющую условия в каждой фазе. Эта модель включает в себя уравнение, описывающее перенос вещества внутри зерна катализатора, перенос вещества и тепла между катализатором и потоком, а также уравнения материального и теплового балансов для потока. Ввиду достаточно большой теплопроводности материала зерен, последние можно считать изотермическими и составлять баланс тепла для зерна в целом. [c.291]

Процесс в слое катализатора включает процесс на зерне, для которого закономерности уже выявлены, и перенос теплоты и вещества в масштабе слоя. [c.94]

Следующий уровень- это модель процессов в слое катализатора. Если бы задачу математического описания процессов в слое катализатора мы захотели решать точно, то нам пришлось бы решать гидродинамическую задачу обтекания слоя зерен с учетом химических превращений на зерне. [c.30]

Таким образом, про расчёте внешнедиффузионного процесса в слое катализатора, разбавленного инертным зернистым материалом, можно пользоваться описанием (13) яз табл.З, увеличив коэффициент теплоотдачи от поверхности зерна в поток в соответствие с (25). [c.132]

Получение надежных результатов моделирования и принятия на их основе технологических решений возможно только на базе теоретически обоснованной кинетической модели процесса. Такая модель уже создана для традиционных катализаторов крекинга, которые непосредственно не принимают участия в процессе окисления и не меняют своих химических свойств [3.30]. На базе этой кинетической модели разработаны достаточно корректные двухфазные диффузионные модели окислительной регенерации на уровне зерна и неподвижного слоя катализатора. [c.68]

При изучении процесса окислительной конверсии низших углеводородов установлено, что нормальное время выжига кокса и регенерации железосодержащего катализатора при одинаковых температурах примерно в два раза больше времени восстановления, если же температуру регенерации повысить на 100-200 С против температуры восстановления, то время протекания этих двух стадий становится одинаковым [3.1]. Показано, что процесс выжига кокса проходит в небольшой по толщине слоя катализатора зоне, которая перемещается с течением времени. Высота зоны, в которой протекает выжиг кокса, зависит от диаметра зерен, и прп температуре 900 1000"С она составляет около 5-10 диаметров среднего размера зерна. Приведены наблюдающиеся зависимости времени выжига кокса от температуры, степени закоксованности, интенсивности подачи воздуха и размера [c.80]

Отсюда следует, что размер зерна катализатора может, хотя и не всегда, влиять на скорость реакции, отнесенную к единице его массы. Если диффузия протекает настолько быстро, что используется вся внутренняя поверхность, размеры зерна не бу-бут оказывать сушественного влияния на процесс, поскольку внешняя поверхность обычно невелика по сравнению с внутренней. Однако, если внутренняя диффузия оказывает существенное влияние на скорость реакции, то желательно уменьшить размеры зерна, по крайней мере, до величины, при которой перепад давлений в слое катализатора не станет чрезмерно высоким. [c.41]

Уравнения (VII.23) достаточно записать только для ключевых веществ, так как концентрации всех остальных реагентов можно выразить через ключевые с помощью линейных соотношений (см. раздел 11.2). При расчете процесса с неподвижным катализатором под и надо понимать фильтрационную скорость потока IV, т. е. скорость, рассчитанную на полное сечение аппарата, равную истинной средней скорости, умноженной на долю свободного объема е. Выражения для функций и в случае гетерогенного процесса должны быть составлены с учетом как кинетических, так и диффузионных факторов поэтому для квазигомогенной модели расчет реактора всегда должен быть предварен анализом процессов на отдельном зерне катализатора, позволяющим установить макроскопическую скорость процесса в единице объема слоя. [c.283]

Перенос тепла. Высокотемпературная зона возникает в результате экзотермической реакции. Необходим какой-либо эффективный механизм переноса тепла, исключающий неограниченный рост температуры в зоне реакции. Перенос тепла в слое катализатора возможен благодаря теплопроводности слоя, внешнему теплообмену (между наружной поверхностью зерна катализатора и реакционной смесью) и внутреннему переносу тепла в таблетке катализатора. В отличие от стационарного случая механизм переноса тепла - необходимый элемент моделирования процесса с реверсом. [c.308]

Полученные суммарные зависимости хода процесса являются составными частями следующего уровня модели и не зависят от его масштаба. Например, закономерности протекания процессов в составных частях модели второго уровня (см. рис. ХУ-2), т. е. переноса вещества и тепла внутри поры катализатора и стадии химического превращения, не зависят от масштаба зерна и капилляра. Влияние масштаба на распределение концентраций и температур по длине поры и скорость химического процесса определяются краевыми условиями зерна и характером массо- и теплообмена между наружной поверхностью и ядром потока. Наблюдаемые зависимости скорости реакции от концентраций и температуры на пористом зерне не зависят от масштаба следующего уровня (слоя катализатора) и входят в него как составляющая математической модели в неподвижном слое. [c.465]

В настоящем обзоре мы сформулируем некоторые из этих результатов и продемонстрируем их на конкретных задачах химической технологии. Будет проведен качественный анализ стационарных задач, описывающих процессы на зерне, в слое катализатора, в реакторах с внутренним теплообменом. Результаты [c.83]

Установление оптимальных условий ведения процесса-характерная задача математического моделирования, последовательность этапов которого детально разработана в работах Г. К. Борескова и М. Г. Слинько [142-144], Стратегия моделирования заключается в последовательном исследовании и анализе основных закономерностей регенерации на моделях различных уровней кинетическом, зерна и слоя катализатора, контактного аппарата, агрегата в целом. [c.63]

Анализ результатов, полученных с помощью квазигомогенных моделей, показывает, что разработка такого существенно нестационарного процесса, как окислительная регенерация катализатора, должна быть ориентирована на двухфазные модели, т.е. на раздельный учет материального и теплового балансов для твердой фазы (катализатора) и газового потока. Поэтому наиболее совершенные модели, используемые для расчета выжига кокса в слое катализатора, учитывают существование двух фаз и процессы диффузионного переноса [150, 162]. Неотъемлемой составной частью такой модели слоя является нестационарная диффузионная модель зерна катализатора, аналогичная (4.13). Переносы тепла и вещества в газовой фазе обычно рассматриваются либо в приближении идеального вытеснения [162], либо с учетом процессов диффузии [150]. Из сравнения результатов этих двух работ видно, что приближение идеального вытеснения является достаточно корректным описанием процессов переноса в газовой фазе. [c.84]

В наших исследованиях за основу взята математическая модель работы [162], которая расширена учетом двух важных процессов переноса. Во-первых,-это перенос массы в порах зерна катализатора стефановским потоком и влияние этого потока на изменение скорости подачи газового потока во-вторых, перенос тепла по слою катализатора за счет теплопроводности. Тогда математическое описание процесса выжига кокса в слое катализатора включает в себя уравнения (4 ) для поверхностных комплексов б, (4.11) для массы кокса на катализаторе дс и объемных компонентов 2, а также уравнения (4.13) для зерна катализатора с видоизмененным граничным условием при г = Кз, учитывающим теплопроводность слою [c.84]

Оптимальное периодическое управление температурой на входе адиабатического слоя катализатора. Предположим, что для описания нестационарного процесса в слое можно а) пренебречь продольным переносом тепла и вещества в газовой фазе за счет эффективной продольной теплопроводности и диффузии б) внутри пористого зерна катализатора практически отсутствуют градиенты температур в) можно не учитывать тепло- и массоемкость зерна и свободного объема слоя, так как будут рассматриваться процессы с характерными временами, гораздо большими, чем масштабы времени переходных режимов в газовой фазе теплообмен на границах слоя несуществен. Тогда в безразмерном виде математическую модель нестационарного процесса в слое можно записать так [c.132]

Численный анализ регенерации неподвижного адиабатического слоя катализатора с помощью описанной выще модели дал следующие результаты. Выжиг кокса на зерне в лобовом участке слоя при входных температурах 450-500 °С протекает практически в кинетической области. По мере удаления от входа в регенератор градиенты распределения коксовых отложений по радиусу зерна увеличиваются. Начиная с расстояния примерно Vs от входа в регенератор, на зерне катализатора начальной закоксованности 3% (масс.) и выше реализуется режим послойного горения практически для любых концентраций кислорода х 5% (об.). Изменение распределения коксовых отложений в процессе выжига по радиусу зерна диаметром 4 мм в центре неподвижного слоя катализатора длиной 2 м при начальных условиях < = 5% (масс.), = = 500 °С-приведено на рис. 4.5. [c.85]

В численных расчетах исследовалась математическая модель нестационарных процессов в неподвижном слое катализатора, учитывающая продольный перенос тепла по скелету катализатора, тепло- и массообмен между наружной поверхностью зерен и газовым потоком, конвективный перенос тепла и массы и, если необходимо, внутренний перенос вещества и тепла в зерне катализатора. [c.175]

Для регенераторов с неподвижным слоем катализатора основная задача-обобщение и систематизация существующих подходов для разработки математической модели и на их базе-определение условий, при которых становится корректным то или иное упрощение полной модели. Для регенераторов со сплошным движущимся слоем необходима Дальнейшая апробация двухфазной диффузионной модели при расчетах режимов работы аппаратов различной конструкции одно-, двух- и трехзонных. Для регенераторов с псевдоожиженным слоем приемлемые варианты модели практически необходимо разработать заново. Надежным фундаментом для такой разработки является кинетическая модель процесса и модель выжига на уровне зерна. Однако в любом случае разработка должна быть ориентирована на двухфазные модели, т. е. на раздельный учет теплового и материального балансов для твердой фазы (катализатора) и газового потока. По-видимому, иные подходы вряд ли будут успешными для такого существенно нестационарного процесса, как окислительная регенерация катализаторов. [c.97]

Приведенная ниже математическая модель процесса в зернистом слое катализатора позволяет учитывать влияние как внешних, так и внутренних неоднородностей. При этом предполагается, что течение потока является установившимся по всему реактору, поток газа плоский, симметричный, проницаемость слоя является функцией пористости и размера зерна. Ограничимся рассмотрением реактора с малым перепадом давления по слою Ар < /). Коэффициенты тепло- и массопереноса считаем пропорциональ- [c.57]

Существенную особенность этой модели составляет то, что при помощи уравнения (3.22д) в ней учитывается связь между процессами передачи тепла внутри зерна катализатора и соседними зернами слоя. Вывод этого уравнения основан на понятии скелета или каркаса слоя и процессах передачи тепла по нему. [c.74]

Полученная модель была бы настолько сложна, что не могла бы быть решена ни на одной из существующих вычислительных машин и поэтому не имела бы никакого практического значения. Е связи с этим при построении модели слоя катализатора используется предположение о квазигомогенности процессов в слое катализатора, предполагающее, что источники химических превращений распределены равномерно по объему реактора. Это предположение позволяет использовать уравнения гомогенных процессов, что значительно упрощает задачу. Составляющими элементами этого уровня являются модели переноса тепла и вещества в слое катализатора, модели процессов переноса тепла и вещества к наружной поверхности, наблюдаемая скорость в зерне. Таким образом, в данном олу -чае мы имеем наглядный пример того, что математическая модель К -го уровня не является некоторой комбинацией математических моделей ( К -1)-го уровня, а является их разумной аппроксимацией. [c.30]

Консфукция регенератора в значительной степени определяется тем, в каком реакционном аппарате проводится основной процесс. Если основной процесс осуществляется в реакторе со сплошным движущимся или псевдоожиженным слоем катализатора, регенерацию проводят непрерывно в отдельном аппарате, так же как процесс в реакторе (т.е. в движущемся или псевдоожиженном слое). Напротив, для аппарата с неподвижным слоем катализатора реализуется, как правило, сменноциклический режим работы основной процесс и регенерация проводятся последовательно в одном и том же аппарате. Несмофя на многообразие консфукций регенераторов, в них есть одна общая часть-слой катализатора, математическое описание которого входит как составная часть в полную математическую модель аппарата. Модель процесса регенерации на зерне катализатора, базирующаяся на кинетической модели, в свою очередь, является составной частью модели слоя катализатора. Поэтому все недоработки на предыдущих уровнях-кинетическом [c.82]

При моделировании процесса в слое катализатора в данной работе введен учет продольного переноса тепла по слою катализатора за счет теплопроводности. В модели учитывается внещний тепло- и массоперенос между газовым потоком и зернами катализатора. Расчеты по модели показали, что в лобовом участке слоя регенерация протекает в кинетической области. Начиная с 0,2 всей длины слоя градиенты концентрации кокса по сечению зерен возрастают и реализуется режим послойного горения для любых концентраций кислорода свыше 57о (об.). В слое формируются температурные профили, которые, деформируясь, движутся по слою. В лобовом участке слоя из-за более низких температур скорость удаления кокса меньше, чем в основном слое с ростом скорости газа в лобовом участке больше кокса остается непрореагировавшим. [c.255]

Карберри 3,131 констатирует, что влияние продольной диффузии в неизотермическом реакторе может проявляться только, если величина отношения длины слоя к диаметру зерна не превышает двадцати. Продольная диффузия существенно влияет на процесс только в лабораторных условях или при малой длине слоя катализатора, [c.230]

Реакция на. внешней поверхности. При дальнейшем увеличении модуля Тиле процесс переходит во внешнекинетический или внешнедиффузионный режим. Первый из них встречается в процессах на пористых катализаторах Довольно редко. Нетрудно видеть, что два вышеупомянутых условия осуществления внешнекинетического режима (стр. 108) могут быть одновременно удовлетворены только в том случае, если выполнено неравенство D/d DJ8. Последнее возможно либо при настолько быстром обтекании пористой частицы потоком газа, что толщина диффузионного пограничного слоя б будет много меньше характерного размера неоднородности зерна i , Либо в случае, когда пористость частицы незначительна и величина а = D D аномально мала. При D/d > DJ8 процесс переходит непосредственно из внутридиффузионной области во внешнедиффу-аионную, минуя внешнекинетическую для частиц с развитой пористостью этот случай является наиболее типичшш. [c.111]

В соответствии с этим выделяются и уровни экспериментальных исследований, выполняемых интегрированной или распределенной АСНИ. Так, при исследовании каталитического реактора стратегия выделения уровней исследования (и соответственно проведения экспериментов) приведена на рис. 3.4. [61. Всего выделяется шесть уровней иерархии элементы ХТС, аппаратов, слоя катализатора, зерна катализатора, поверхности зерна катализатора и молекулярный уровень. Эта структура является типичной при построении математических моделей процессов химической технологии. [c.60]

Для сложных неоднородных структур трудно определить процессы переноса вещества и тепла от химического процесса. При строгом расчете скорости реакции в пористом зерне надо знать полную геометрию пористой структуры, а не только функции распределения пор по радиусам и общее число неоднородностей. Так, например, точный расчет возможен для правильных, бидисперсных структур. При наличии структуры, состоящей из длинных макропор с короткими микропорами, эффективный коэффициент диффузии равен коэффициенту диффузии в макропорах. Для сложных неправильных структур значения эффективного коэффициента диффузии, определяемые соответствующими уравнениями переноса, в отсутствие реакции и при ее протекании различны они зависят от глубины работающего слоя катализатора. Еще более отличаются один от другого стационарный и нестационарные эффективные коэффициенты диф- фузки. [c.474]

Математическое моделирование позволило дать рекомендации по созданию новых реакторов в псевдоожиженном слое и интенсификации действующих. Показано, что целый ряд промьиплеп-но важных процессов целесообразно осуществлять в псевдоожиженном слое катализатора, позволяющем работать на мелком зерне катализатора без значительных перепадов температур с весьма интенсивным теплоотводом. [c.5]

Динамические характеристики. Из-за внешних воздействий и (или) изменений внутренних свойств катализатора и реактора в целом температурные и концентрационные поля в слое катализатора меняются во времени. При этом, как было показано, те параметры, влияние которых в стационарном режиме можно было не учитывать, часто оказываются существенными в нестационарном процессе. К таким параметрам можно отнести, например, дисперсию вещества вдоль слоя катализатора, массоемкость и теплоемкость слоя, неравподоступность наружной поверхности зерна, внешний тепло- и массообмен. В стационарном режиме значительное число факторов воздействует на состояние системы независимо и часто аддитивно. Это позволяет использовать более узкие модели и эффективные параметры, отражающие суммарное влияние этих факторов. В нестационарном режиме степень влияния этих же факторов может быть иной и, кроме того, сильно зависеть от состояния системы. Р1х влияние необходимо учитывать порознь. Так, например, дисперсию тепла вдоль адиабатически работающего слоя катализатора в стационарном режиме вполне достаточно представить коэффициентом эффективной продольной теплопроводности. В нестационарном режиме это недопустимо — необходимо учитывать раздельно перенос тепла по скелету катализатора, теплообмен между реакционной смесью и наружной поверхностью зерна и иногда перенос тепла внутри пористого зерна. Из-за инерционных свойств в нестационарном режиме имеют место большие, чем в стационарном, градиенты температур и концентраций на зерне и в слое катализатора. Это приводит, иапример, к отсутствию пропорциональной зависимости между температурой и степенью превращения, непродолжительному, но большому перегреву у поверхности зерна с наилучшими условиями обмена, значительным перегревам слоя — динамическим забросам, на-Л1Н0Г0 превышающим стационарные перепады температур между входом и выходом из слоя могут быть в несколько раз больше адиабатического разогрева при полной степени превращения. Сдвиг по фазе между температурными и концентрационными полями иногда приводит к возникновению колебательных пере- [c.13]

Математические модели нестационарных процессов в реакторе. Легко подсчитать, что количество возможных моделей процессов в неподвижном слое катализатора равно нескольким сотням. Однако используя приведенные выше неравенства, выделяющие основные факторы и определяющие поведение темперйтурных и концентрационных полей в реакторе, легко построить узкую существенную модель процесса в целом. Так, для процесса окисления SO2 в SO3 в реакторе с адиабатическими слоями катализатора нестационарный процесс в первом слое должен описываться моделью, учитывающей градиенты температур и концентраций внутри зерна катализатора, в последующих слоях процесс в зерне достаточно представить моделью идеального перемешивания по теплу стационарные режимы во всех слоях удовлетворительно описываются моделью идеального вытеснения стационарный режим для процесса синтеза винилхлорида в трубчатом реакторе описывается квазиго-могенной моделью, учитывающей перепады температур по радиусу трубки, а для описания нестационарных процессов в реакторе не обходимо учитывать и перепады температур внутри зерна. [c.73]

Математическая постановка задачи. Рассмотрим разностные методы решения системы дифференциальных уравнений, оннсы-вающнх процессы тепломассонереноса в двумерном реакторе с неподвижным слоем катализатора. При этом будем учитывать распределение температуры и концентраций внутри зерна катализатора, перенос тепла по скелету катализатора и неравномерность распределения температуры и концентрации веществ по радиусу реактора. Естественным обобщением модели, предложенной в [1], на случай двумерного неадиабатического реактора будет следующая система дифференциальных уравнений [c.128]

Это обстоятельство, естественно, накладывает дополнительные требования при выборе оптимальных условий процесса регенерации. Основное из этих требований-сохранение некоторого приемлемого уровня стабильности и активности катализатора при многократном осуществлении окислительной регенеравди. Решение подобной задачи связано прежде всего с определением таких условий процесса, которые исключали бы возможность образования локальных перегревов как на зерне, так и в слое катализатора, поскольку перегревы приводят к спеканию катализатора, снижению его механической прочности и, следовательно, потере каталитической активности. [c.63]

Предполагают, что перенос тепла и вещества в направлении газового потока осуществляется лишь при помощи вынужденной конвекции. Принимается также, что из-за высокой скорости тепломассопередачи между газом и зерном катализатора температурными и концентрационными перепадами между ними можно пренебречь. Другим обычным допущением является предположение о том, что градиенты по радиусу реактора для слоя катализатора, работающего даже в неадиабатических условиях, отсутствуют. Наконец, всегда предполагают, что процесс выжига протекает без изменения реакционного объема. Кроме того, рассматривается только одна химическая реакция, кинетическое уравнение для скорости которой (и, мольм с ) имеет вид (4.2). [c.83]

Тепловой баланс по скелету слоя складывается из теплового потока по скелету (этот вклад описывается процессом эффективной теплопроводности), теплообмена с газовой фазой (этот поток пропорцжонален общей внепшей поверхности зерен катализатора в единице объема слоя — 5уд) и источника тепловой энергии в скелете слоя катализатора (источником является тепловой поток, вытекающий из зерна катализатора через его поверхность по нормали к ней этот поток также пропорционален [c.75]

Математическое описание процессов в адиабатическом слое катализатора имеет вид (3.26) — (3.31), если выполнены следующие предноложения а) градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны б) химические процессы на внутренней поверхности зерен катализатора и диффузионные процессы внутри пористого зерна катализатора квазистационарны по отношению к процессам переноса в газовой фазе в) в реакторе протекает одна экзотермическая реакция типа А В без изменения объема. [c.81]

Как уже отмечалось, при больших размерах зерен катализатора, больших скоростях химической реакции, высоком адиабатическом разогреве с.л1ееи возможны ситуации, когда необходимо учитывать процессы переноса внутри пористого зерна катализатора. Это может произойти, например, тогда, когда нарушаются условия (3.10) —(3.11). Существенное влияние на характеристики фронта может оказывать и величина теплопроводности скелета слоя катализатора с увеличе1нием значения максимальная температура во фронте уменьшается. Также уменьшается и скорость движения фронта. [c.93]