Моделирование гетерогенно-каталитических реакций

Перечисленные осложнения, связанные с тесной взаимообусловленностью кинетических параметров гетерогенных каталитических реакций и микропористой структуры катализатора, значительно затрудняют применение математического моделирования, поскольку в данном случае невозможно отделить чисто химические особенности каталитической системы от ее чисто структурных характеристик. По существу, в этом случае речь идет о расширении понятия микрокинетики гетерогенно-каталитической реакции с учетом дополнительных уровней структурной организации поверхности катализатора, изменяющих особенности протекания химических реакций речь идет о структурно-химической микрокинетике, т. е. катализе на сильно искривленной [c.140]

Детальное моделирование гетерогенных каталитических реакций [c.16]

Таким образом, при рассмотрении кинетики гетерогенных каталитических реакций необходимо учитывать воздействие на катализатор реакционной среды. Это касается прежде всего анализа оптимальных условий по кинетическим данным и моделирования реакторов, которое начинается с разработки кинетических моделей конкретных каталитических реакций. Поэтому далее рассмотрим кинетические модели в гетерогенном катализе, их характеристики и практическое значение. [c.80]

В [66-68] при изучении обтекания тела частично ионизованным воздухом были получены граничные условия с учетом детального моделирования гетерогенных каталитических реакций. Смесь считалась квазинейтральной. Учитывалась 31-я элементарная стадия. Полностью система гетерогенных каталитических реакций приведена в 66, 106]. Там же получены структурные выражения для скоростей образования компонентов в гетерогенных каталитических реакциях при различных предположениях о скоростях протекания тех или иных элементарных стадий. [c.86]

Можно видеть, что моделирование гетерогенных каталитических реакций — более трудоемкий и сложный процесс, чем гомогенных реакций, поскольку кинетические функции в этом случае сильно нелинейны и требуют большого числа нелинейных решающих элементов. Обязательным является использование блока деления в ряде случаев необходимы также блоки извлечения корня или возведения в степень. Такие требования к составу решающих элементов машины могут препятствовать применению аналоговой вычислительной машины типа МН-7 при моделировании гетерогенно-каталитических процессов. Тем не менее эффективность применения аналоговых машин вообще остается высокой и в этом случае, поэтому можно рекомендовать использование дополнительных блоков нелинейности (например, типа НБН-1), расширяющих возможности универсальных аналоговых вычислительных машин. [c.177]

Вслед за кратким обзором основных понятий и терминологии кинетики химических реакций рассмотрены реакции в гомогенных средах, неизотермические процессы, проточные реакторы, гетерогенные каталитические процессы, реакции в слое зернистого материала и методы моделирования. В конце дано очень краткое описание типов химических реакторов, применяемых в промышленности. [c.10]

Одной из основных задач математического моделирования химических процессов является построение кинетической модели и определение констант скоростей реакции. В случае, если в эксперименте измеряются концентрации всех веществ, задача определения констант успешно решается с использованием методов линейного программирования. В случае гетерогенных каталитических реакций измерение концентраций промежуточных веществ, как правило, в настоящее время не проводится. Для восполнения этого пробела применяется метод квазистационарности. [c.87]

В статье [14] отмечается, что времена поверхностной релаксации Тг для большинства гетерогенных каталитических реакций укладываются в интервал 10 —2,5-10 ч, что много меньше обычных значений Тр. Именно это и определяет широкое распространение в лабораторной практике квазистационарных и стационарных режимов работы реакторов. Поэтому в настояш,ей книге рассмотрено только моделирование кинетики на основании данных, полученных в стационарных условиях. [c.31]

Программная реализация алгоритмов моделирования. На основе изложенного подхода создана система программ моделирования кинетики гетерогенных каталитических реакций, которая позволила [c.202]

Конечной целью, к которой стремится исследователь, занятый разработкой нового промышленного катализатора, является создание такого катализатора, который обеспечил бы оптимальную работу химического реактора. Оптимальность реактора может быть определена посредством экономического критерия, в котором могут быть учтены многие факторы, влияюш ие на рентабельность процесса. В качестве критерия оптимизации могут быть использованы такие показатели, как производительность реактора по целевому продукту, селективность процесса, себестоимость одного или нескольких целевых продуктов, эксплуатационные затраты и т. д. Определение технологических и конструктивных параметров процесса, при которых критерий принимает оптимальное значение, является одной из задач математического моделирования. Как это следует из анализа макрокинетики гетерогенно-каталитических реакций, в число конструктивных параметров, подлежащих оптимизации, должны входить размер зерна и параметры, характеризующие пористую структуру катализатора. На эти переменные могут быть наложены ограничения, определяемые условиями эксплуатации или технологией производства катализатора. [c.185]

Основой для построения математической модели каталитического превращения реагентов в химическом реакторе служит кинетическая модель химических реакций, протекающих на поверхности катализатора. Зная функциональную зависимость скорости химической реакции на поверхности катализатора от состава реакционной смеси и температуры, можно вычислить скорость реакции, отнесенную к единице объема катализатора, и селективность превращения ключевого компонента в целевой продукт. Эти две величины — важнейшие для характеристики эффективности промышленного катализатора. Уравнения макрокинетики являются составной частью математической модели химического реактора, которая на стадии проектирования используется для расчета оптимального технологического режима работы реактора и его конструктивных особенностей, а в процессе эксплуатации реактора — для расчета оптимального режима управления процессом. Другая область применения кинетических моделей — это изучение механизма химических реакций. Анализ моделей позволяет выявить и предсказать поведение эксперимента и существенные стороны механизма реакции при изменении условий эксперимента. Поэтому ясно, насколько серьезной и ответственной задачей является построение кинетической модели каталитических реакций. Вследствие практической важности проблем, возникающих при построении кинетических моделей, им уделяется самое серьезное внимание широкого круга исследователей — теоретиков и экспериментаторов. Этим проблемам посвящена обширная литература. Достижения в области моделирования кинетики обобщены в обзорных статьях и монографиях [5, 30, 31, 65]. В настоящей главе рассматриваются лишь основные методы построения кинетических моделей гетерогенно-каталитических реакций. [c.103]

В настоящем разделе изложены лишь некоторые общие вопросы, относящиеся к моделированию нестационарных гетерогеннокаталитических реакций. Более подробно ознакомиться с результатами экспериментальных и теоретических исследований нестационарных гетерогенно-каталитических реакций можно в цитированной литературе. [c.126]

Работа заключается в ознакомлении с приемами составления кинетических уравнений гетерогенно-каталитических реакций и моделирования таких реакций на аналоговой вычислительной машине. [c.172]

Динамического и химического подобия обычно нельзя достигнуть одновременно например, если остается постоянным время реакции, то число Рейнольдса, в которое входит линейная или массовая скорость, изменяется. В гетерогенных каталитических процессах полное подобие может быть достигнуто при изменении размера частиц катализатора и его активности. Если теплопередача осуществляется теплопроводностью или конвекцией, размер частиц должен быть пропорционален диаметру сосуда, а активность катализатора должна меняться обратно пропорционально квадрату диаметра реактора оба условия очень тяжелы и обычно невыполнимы. Часто имеют значение только некоторые из факторов, влияющих на реакцию, так что существенным будет равенство только тех безразмерных комплексов, в которые они входят. Например, если скоростью диффузии определяется процесс в гетерогенном реакторе, то рассмотрение одного динамического подобия будет достаточным для выяснения условий моделирования. [c.341]

За основу для изложения методов математического моделирования и расчета гетерогенно-каталитических реакторов с газожидкостным потоком целесообразно взять случай необратимой реакции А -Ь В С, где одно из веществ, например А, газообразно, а В [c.185]

Пример 1-3. Моделирование кинетики гетерогенного каталитического процесса. Рассмотрим пример, взятый из области гетерогенного катализа. Опишем кинетику реакции гидрогенизации, проводимой в аппарате идеального смешения. В ней принимают участие вещества, находящиеся в трех различных фазах в газовой фазе содержится водород (под большим давлением), в жидкой фазе — четыре вещества Л, 5, С и Н , а в твердой фазе — катализатор, представляющий собой слой зернистого материала. В этой системе происходят следующие реакции [c.129]

Мы надеемся, что методы моделирования кинетики гетерогенных каталитических процессов, изложенные в настоящей книге, помогут исследователю в расшифровке загадок природы, какими являются кинетика и механизм каждой реакции. [c.239]

Осуществление гетерогенных каталитических процессов на практике в ряде случаев оказывается выгодным в псевдоожиженном ( кипящем ) слое катализатора. Такой путь имеет иногда существенные преимущества [905], в частности позволяет преодолевать трудности, связанные с необходимостью отвода больших количеств тепла, уменьшать диффузионное торможение, применять катализаторы с малыми размерами частиц и т. д. Поэтому изучение кинетики реакций в псевдоожиженном слое катализатора приобретает большой интерес, в частности при моделировании производственных условий некоторых процессов.. Однако все же и в этом случае необходимо учитывать и устранять возможное влияние диффузионных и гидродинамических факторов [1267— 1270]. [c.540]

Основой математического моделирования промышленных процессов гетерогенного катализа является математическое описание гетерогенного каталитического процесса на отдельном зерне катализатора. Анализ процессов тепло- и массопереноса в единичном зерне катализатора важен еще и потому, что позволяет наметить пути выбора или синтеза оптимальных промышленных катализаторов, поскольку от интенсивности процесса переноса в зерне катализатора зависит не только удельная каталитическая активность катализатора, но и такая важная характеристика катализатора, как избирательность. Объемная активность катализатора — функция удельной каталитической активности. активной поверхности и, кроме того, средней скорости внутреннего массопереноса. Если процесс химических превращений на катализаторе складывается из последовательных реакций, а полезный продукт промежуточный, то уменьшение скорости внутреннего массопереноса всегда приводит к снижению избирательности. В том случае, когда выход полезного продукта определяется интенсивностью побочной реакции, избирательность катализатора зависит как от соотношения между константами и порядками основной и побочной реакций, так и от скорости массопереноса. Интенсивность процесса переноса теплоты в катализаторе может существенно влиять на его промышленную эффективность. Для катализаторов, используемых для проведения простых экзотермических реакций, выгодна малая величина эффективной теплопроводности, так как перегрев увеличивает скорость процесса. Простые эндотермические реакции и сложные реакции, для которых энергия активации основной реакции меньше энергии активации побочных реакций, целесообразно проводить на катализаторах с увеличенной эффективной теплопроводностью. Таким образом, качественный и количественный анализ процесса связанного тепло- и массопереноса в единичном зерне катализатора является не только основой расчета промышленного процесса, но и служит необходимым условием выбора оптимального катализатора. [c.67]

Конечным продуктом глубокого окисления в этих условиях обычно бывает СО, а не СО2, как в гетерогенно-каталитическом окислении. Мы вернемся к вторичным газофазным реакциям при рассмотрении моделирования окисления метана в разделе 7.5.6. [c.273]

Влияние пористой структуры катализатора на технико-экономические показатели процесса, исследуемое с помощ,ью мате-д1атического моделирования, практически невозможно установить экспериментальным путем. Несмотря на недостатки существующих методов моделирования пористой структуры катализаторов и связанный с этим приближенный характер расчетных результатов, данные, полученные с помощью математического моделирования гетерогенно-каталитических реакций, могут оказать существенную помощь при планировании экспериментальных работ, связанных с созданием эффективных катализаторов [77]. [c.169]

Начало изучению макрокинетики гетерогенно-каталитических реакций было положено классическими работами Зельдовича И Тиле. Впоследствии эта тема привлекала внимание многих советских и зарубежных исследователей. Интенсивные исследования в области макрокинетики были начаты в 1960 гг., ознаменовавшихся бурным развитием математического моделирования химических процессов, вычислительных методов и электронно-вычислительных машин. Результаты исследований, а также обширный фактический материал, касающийся различных проблем макрокинетики промышленных гетерогенно-каталитических процессов, опубликован в монографиях [26, 44, 59, 80]. В настоящей главе будут изложены основные закономерности макрокинетики гетерогенно-каталитических реакций. [c.58]

Моделирование гетерогенного каталитического процесса проходит через несколько стадий. На первой стадии должна быть изучена истинная кинетика реакции в исследуемом процессе. Кинетическое уравнение реакции синтеза аммиака получено Темкиным и Пыжевым и имеет следующий вид [c.36]

Полученные экспериментальные данные и рассмотрение элементарных реакций в газовой фазе и на поверхности (835 реакций [418]) также привели авторов [417] к выводу, что при моделировании, кроме газофазных реакций, нужно учитывать только реакции инициирования СН4 —> СНз, 2 6 —> С2Н5, С2Н4 —> С2Н3, и гетерогенно-каталитическую реакцию окисления СО в СО2. [c.304]

Предлагаемая вниманию читателей небольшая монография О. Гарела и Д. Гарела посвящена именно этой актуальной проблеме — колебательным химическим реакциям. Авторы с единых позиций рассматривают различные колебательные химические реакции — гомогенные, гетерогенно-каталитические, ферментативные. Главное внимание уделяется математическому описанию и моделированию колебательных химических реакций. В лаконичной форме изложено современное состояние вопроса, новые теоретические подходы к описанию такого сложного явления, как колебания концентраций различных химических соединений в процессе некоторых сложных реакций. [c.5]

В соответствии с двумя аспектами кинетического метода (выдвижение теоретических гипотез о механизме реакции и их опытная проверка) моделирование кинетики гетерогенных каталитических процессов сочетает черты двух научных дисциплин теоретических основ кинетики гетерогенного катализа и математической теории эксперимента. Теоретические основы кинетики гетерогенного катализа весьма подробно изложены в монографии Кипермана [1], а идеи и методы математической теории эксперимента — в книге Налимова [21. Кроме того, широкое использование ЭВМ вызвало потребность в детальной формализации некоторых вопросов кинетики каталитических реакций и в автоматизации программирования кинетических уравнений. Эти проблемы мы также рассмотрим как составные части моделирования кинетики гетерогенного катализа. [c.12]

Один из путей решения поставленной задачи — квантовохимические расчеты поверхностей потенциальной энергии и энергий переходных состояний. В последнее время в этом направлении достигнут значительный прогресс на базе использования пояуэмпирических схем, не связанных с чрезмерно большой затратой машинного времени. Такие расчеты позволяют получить лишь полуколичественные оценки энергий переходных состояний и поэтому дают лишь качественное описание механизма каталитических реакций. Что касается более точных неэмпирических расчетов, то даже при современном громадном прогрессе в области вычислительной техники они возможны и доказательны лишь для сравнительно простых систем. Использование их для моделирования активных центров на поверхности гетерогенных катализаторов, когда нужно учитывать влияние большого числа атомов твердого тела, встречает значительные трудности. Это же относится и к неэмпирическим расчетам механизма гомогенно-каталитических реакций в жидкой фазе, где, кроме того, возникают еще и дополнительные осложнения, связанные с необходимостью учета влияния молекул растворителя. [c.7]

О кинетике химических реакции в потоке. В настоящее время одной из распространенных форм осуществления многих процессов является проведение их путем непрерывного пропускания потока реагирующих газов (или жидкостей) через слой твер- дого или жидкого реагента или просто через реакционный аппарат с определенной температурой. Так можно осуществлять, например, сушку газов или насыщение их парами жидкости, адсорбцию газов твердыми реагентами и многие химические реакции гомогенные или гетерогенные и, в частности, каталитические (реакции в потоке). Такая форма проведения обеспечивает длительную непрерывность процесса при благоприятных возможностях поддержания постоянного режима, так как каждый данный аппарат может работать при постоянных условиях температуры и пр. Эта форма проведения процесса влияет на кинетику его и приводит к своеобразной зависимости кинетики от таких условий проведения, как размеры и форма реакционного аппарата, величина свободного сечения, скорость пропускания газов. В результате кинетика их становится весьма сложной. Различным областям применения в известной степени соответствуют различные направления развития теории. В одних успешно используются методы математического моделирования, в других применяются методы, основанные на выводах гидродинамики. Однако описание их выходит за рамки этой книги. [c.698]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология