Коэффициент теплопроводности пористых катализаторов

Теплопередача внутри пористого зерна катализатора определяется некоторым эффективным коэффициентом теплопроводности так же, как диффузия — эффективным коэффициентом диффузии данного вещества. Конечно, неренос тепла идет в основном через твердую фазу, в то время как перенос вещества — только через норы. Вопрос о том, как связана эффективная теплопроводность со структурой пор и свойствами твердой фазы, обсуждается в главе 5 книги Петерсена (см. библиографию, стр. 147) здесь мы только отметим, что коэффициент теплопроводности может быть определен таким образом, что тепловой поток через единичную площадку внутри частицы будет пропорционален градиенту температуры по направлению нормали к этой площадке с коаффициентом пропорциональности к . [c.142]

Эффективный коэффициент диффузии />эф = П/) был определен выше [см. уравнение (2.101)]. Если учесть переходный вид диффузии в порах, то Z) в порах меньше молекулярного коэффициента диффузии D [уравнение (2.103)]. Примем />эф = 0,1Д Теплопроводность пористого катализатора по данным многочисленных исследований Хз 10Х, где X - теплопроводность заполняющего поры газа. Такой результат связан с тем, что структура пористого катализатора образована спекшимися, слипшимися микрочастицами. Точки контакта оказывают большое термическое сопротивление, и в переносе теплоты участвует прослойка газа, примыкающая к точкам контакта микрочастиц. Этим и объясняется тот факт, что теплопроводность пористого тела зависит в основном от теплопроводности заполняющего его газа и в значительно меньшей степени зависит от [c.98]

В пористом катализаторе перенос тепла осуществляется как с помощью молекулярного теплопереноса в порах, так и за счет теплопроводности самого катализатора. В газах коэффициент молекулярной теплопроводности Хм примерно равен коэффициенту молекулярной диффузии умноженному на теплоемкость единицы объема газа Y. Эффективный коэффициент теплопроводности пористой частицы можно представить формулой [c.102]

Основные технологические характеристики промышленных катализаторов активность (интенсивность) и селективность, стабильность и регенерируемость, гранулометрический состав, плотность и механическая прочность. Наиболее важные физико-химические свойства — пористость, кислотность (основность), дифференциальная поверхность, эффективные коэффициенты диффузии и теплопроводности. [c.89]

Законы переноса вещества и тепла идентичны. Из-за развитой внутренней поверхности имеет место интенсивный теплообмен между обеими фазами, приводящий к гомогенизации системы. Поэтому становится вполне приемлемым использование закона Фурье q = — Я-эф grad Т, определяющего плотность теплового потока q в зависимости от градиента температуры и величины коэффициента эффективной теплопроводности зерна катализатора Хэф. Экспериментальные значения Хдф, найденные различными авторами, например [73], свидетельствуют о том, что на теплопроводность пористых зерен относительно слабо влияют теплофизические свойства твердого материала. Большое влияние оказывает теплопроводность газовой фазы. Однако решающее значение на величину зф оказывают геометрические характеристики структуры, особенно величины площадей наиболее узких мест или окрестности областей спекания, сращивания, склеивания частиц друг с другом. Для приближенной оценки величины Хэф можно рекомендовать монографию [74], в которой представлен значительный объем экспериментальных данных по дисперсным материалам. [c.157]

Если процесс тормозится транспортом вещества не к внешней, а к внутренней поверхности контакта, например к внутренней поверхности зерен твердого пористого катализатора, то необходимо учитывать скорость тормозящей стадии — внутреннего транспорта. В этом случае модель усложняется, так как концентрации Су и температура изменяются по поверхности контакта в зависимости от радиуса зерна контактного материала Д. Скорость внутреннего транспорта можно описать законами Фика и Фурье, применив эффективный коэффициент внутренней диффузии эф и эффективный коэффициент теплопроводности Хэф. При этом для неподвижного слоя идеального вытеснения можно пользоваться моделью (11.11), изменив уравнения для расчета [c.74]

Наиболее важные физико-химические характеристики промышленных катализаторов — пористая структура (величина поверхности и распределение объема пор по радиусам), кислотность (основность), фазовый состав, дифференциальняя поверхность (поверхность отдельных компонентов) и эффективные коэффициенты диффузии и теплопроводности. [c.360]

Значения эффективных коэффициентов диффузии (D) и теплопроводности (Я) для пористого катализатора обычно считаются постоянными и известными величинами. [c.163]

Рассмотрим это положение подробнее. В неподвижном слое катализатора перенос тепла осуществляется в результате теплопроводности зерен, излучения от зерен и конвекции газа, протекающего между зернами. Теплопроводность слоя зерен катализатора обычно невелика вследствие их пористости и малой поверхности контакта зерен друг с другом. Излучение существенно лишь при 500 °С и выше. Конвекция газа по сечению слоя имеет большое значение лишь нри сильном радиальном перемешивании газа, т. е. не в условиях неподвижного слоя. Поэтому значения эффективного коэффициента теплопроводности неподвижного слоя катализатора, слагающиеся из трех вышеназванных составляющих, весьма невелики и составляют для окисных и солевых катализаторов единицы кДж/(м-ч-°С). Для пористых металлических зерен Ag измеряется десятками, а для чистых металлов (сеток) сотнями кДж/(м-Ч-°С). [c.101]

Здесь l — концентрации веществ, участвующих в реакции Т — температура г — скорость реакции в единице объема пористого катализатора D , % — эффективные коэффициенты диффузии и теплопроводности в пористом зерне v — стехиометрический коэффициент -го вещества (v,- < О для исходных веществ и > О для продуктов реакции) h — теплота реакции V — оператор Лапласа g = С (Г), То= Т (Г) — концентрации реагентов и температура на внешней поверхности зерна oo, T a— значения соответствующих переменных в ядре потока, омывающего частицу катализатора Р,, а — коэффициенты массо- и теплопередачи из ядра потока к внешней поверхности зерна п — направление внешней нормали к поверхности Г. [c.131]

Для катализаторов коэффициент диффузии Цф в 5-10 раз меньше, чем в порах который в свою очередь меньше молекулярного коэффициента диффузии. Теплопроводность А. пористых катализаторов примерно в 10 раз больше, чем у газа [101]. Поскольку для газов О к/ср, то Ад в 50-100 раз меньше ДО д. Учитывая, что ДО для большинства процессов меняется в пределах 3 30, то очевидно, что зерно катализатора в большинстве случаев можно считать изотерми- [c.59]

Если размер пор значительно превышает среднюю длину свободного пробега молекул газа, то его теплопроводность почти не зависит от давления. При комнатной температуре теплопроводность воздуха равна 25-10 Вт/(м-К), а водорода 17,6-10 Вт/(м-К). Теплопроводность паров многочисленных полярных и неполярных органических соединений лежит в пределах 8,4-10 —25 X X 10 Вт/(м-К). Приведенные значения на порядок меньше значений теплопроводности для пористого катализатора в вакууме. Исключение составляют водород и гелий. Коэффициенты теплопроводности для простых органических жидкостей в 10—100 раз выше, чем для паров при той же температуре. Типичные значения теплопроводности неполярных жидкостей при комнатной температуре лежат в пределах (8,4—20,9) Вт/(м-К), что в 2—3 раза выше значений Я для сильно полярных жидкостей. [c.170]

В процессе, идущем на пористом катализаторе, наряду с диффузионным сопротивлением переносу реагентов внутрь зерна могут возникнуть и затруднения с отводом тепла реакции. Перенос тепла в зерне идет по двум механизмам 1) за счет теплопроводности твердой пористой частицы и 2) вследствие молекулярной диффузии в порах. Суммарное действие обоих механизмов описывается эффективным коэффициентом теплопроводности X. Если материал пористого зерна хорошо проводит тепло, частица катализатора при всех условиях остается изотермической. В случае же малой теплопроводности катализатора механизм тепло- и массопереноса в зерне один и тот же, и надо ожидать одновременного появления градиентов концентраций и температур в частице по мере перехода реакции во внутридиффузионную область. [c.143]

Наиболее распространенная упрощенная модель процесса непрерывного химического взаимодействия в неподвижном слое зернистого катализатора основана на предположении о равенстве температуры и концентрации целевого компонента в частицах катализатора и в сплошной среде (Г =/, С = С/). Градиенты концентрации и температуры внутри частиц считаются пренебрежимо малыми. Таким образом, эти существенные упрощения исключают из анализа процессы тепло- и массообмена внутри зерен пористого катализатора. Скорость реакции считается функцией локальных значений концентрации и температуры квазигомогенного континуума. Пренебрежение внутренними термическим и диффузионным сопротивлениями зерен катализатора тем более справедливо, чем меньше диаметр частиц и чем выше значения коэффициентов диффузии и теплопроводности катализатора. Принимается режим вытеснения при фильтровании сплошной среды через слой с равномерной скоростью и, не зависящей от радиуса слоя г. Учитывается квазидиффузионный перенос массы и теплоты в поперечном направлении слоя цилиндрической формы. Такие предположения приводят к следующей системе дифференциальных уравнений второго порядка [c.164]

Обозначения Т, Гщ, Го — температуры слоя, на входе в слой и начальная с, Сщ, Со — соответствующие значения концентрации реагента в газовой смеси в слое на входе и начальное ц — линейная скорость потока газовой смеси, отнесенная к полному сечению слоя W T, с) —скорость химической реакции АГа — адиабатический разогрев смеси при полной степени превращения I, L —текущая и общая длина слоя катализатора Я — эффективный коэффициент продольной теплопроводности слоя Сел — средняя объемная теплоемкость слоя катализатора Ср — средняя объемная теплоемкость реакционной смеси е — пористость слоя катализатора у = = Ср + Ссл D — эффективный коэффициент диффузии реагента в газовой смеси. Эта модель удовлетворительно описывает процессы в адиабатическом слое катализатора при таких предположениях градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны химические процессы па внутренней поверхности зерен и диффузионные процессы внутри пористых зерен квазистационарны по отношению к процессам переноса в газовой фазе процессы межфазного тепло- и массообмена настолько интенсивны, что температура и. концентрация реагента в твердой и газовой фазе неразличимы. [c.100]

Повышенная т е п лопроводность зерен катализатора особенно важна для трубчатых аппаратов с отводом (или подводом) тепла непосредственно от слоя катализатора. Однако необходимая пористость зерен уменьшает их теплопроводность и находится в противоречии с ней. В кипящем слое мелкозернистого катализатора высокая эффективная теплопроводность слоя обеспечивается перемешиванием зерен. Именно перемешивание обеспечивает изотермичность слоя и увеличенные па порядок,коэффициенты теплоотдачи от слоя к охлаждающим поверхностям или наоборот. Однако даже в этом случае предпочтительны зерна с повышенной теплопроводностью. [c.126]

Так, например, при проведении каталитической экзотермической реакции в неподвижном слое дисперсного катализатора существенно, чтобы выделяющаяся при реакции теплота непрерывно отводилась из внутренних зон слоя, где возможен нежелательный перегрев катализатора, к его наружной границе, откуда теплота будет отведена охлаждающей водой, подаваемой в рубашку охлаждения. При этом важно, с какой интенсивностью теплота будет передаваться внутри слоя и от слоя к поверхности охлаждения. Кроме того, поскольку реакция происходит на поверхности и внутри пористых частиц катализатора, то скорость выделения теплоты химической реакции зависит от температуры на поверхности и внутри частиц, согласно известному закону Аррениуса. Значение температуры внутри частиц связано с их размерами, с коэффициентом теплоотдачи между фильтрующимся потоком и поверхностью частиц и с температуропроводностью материала частиц (см. задачу о нестационарной теплопроводности твердых тел и пример ее решения (3.41)). [c.261]

Пропорциональность коэффициента диффузии диаметру капилляра является следствием активной роли стенок в процессе массопереноса. Границы кнудсеновской области зависят от давления при обычных давлениях преимущественная роль кнудсеновской диффузии выявляется при диаметре пор меньше 10 А с повышением давления эта граница, вследствие уменьшения длины свободного пробега, сдвигается в сторону меньших диаметров. Перенос тепла в пористой частице осуществляется как за счет молекулярной диффузии в порах, так и за счет теплопроводности самой частицы. Часто пористую частицу рассматривают как однородную среду, вводя эффективные коэффициенты диффузии и теплопроводности, определяемые экспериментально. Особенности макрокинетики процессов тормозящихся диффузией реагентов в порах катализатора, будут описаны в п. 3. , [c.117]

В связи с тем, что до настоящего времени нет надежных расчетных методов определения различных коэффициентов диффузии и относительных интенсивностей процессов переноса за счет механизмов молекулярной, кнудсеновской и поверхностной диффузии для реальных пористых катализаторов, основную роль в теории играют методы, использующие понятие эффективного коэффициента диффузии. Эффективный коэффициент диффузии находится в результате решения обратных задач, т. е. определяется из условия применимости уравнений диффузии и теплопроводности с учетом химических реакций для описания процессов тепло- и массопереноса в пористых катализаторах. В качестве единственного параметра, определяющего массоперенос, коэффициент эффективной диффузии имеет ряд недостатков. Наиболее существенный из них — неоднозначность определения. Так, если провести экспериментальное определение эффективного коэффициента диффузии для одного и того же пористого катализатора, используя различные уравнения переноса, например в одном случае уравнение диффузии без источников, а в другом случае уравнение с источниками, учитывающими хихмические превращения, то чаще всего получаются совершенно различные значения. [c.69]

Основные результаты расчета при различных технологических параметрах представлены в табл. 10.1. В расчетах варьировались теплопроводность зерна катализатора, линейные размеры гранул катализатора, состав смеси на входе в аппарат, скорость фильтрации и время контакта. В таблице представлены средние за цикл концентрации аммиака на выходе из слоя и максимальная температура катализатора. Из данных, приведенных в таблице, можно сделать вывод о влиянии размеров зерна катализатора на технологические характеристики нестационарных режимов. С ростом размеров зерна катализатора уменьшается максимальная температура, что вызвано снижением коэффициента межфазного теплообмена и ростом характерного времени теплопереноса в пористом зерне. Сов-иместное действие этих двух факторов увеличивает ширину зоны реакции, и, как следствие, максимальная температура понижается. Выход аммиака увеличивается. Это еще раз подтверждает уже обсуждавшийся ранее вывод о том, что при осуществлении процесса в нестационарном режиме часто при увеличении размера зерна внутренний массоперенос оказывает меньшее влияние на выход продукта, чем межфазный теплообмен и теплоперенос внутри зерна катализатора. Например, по данным расчетов при увеличении диаметра зерен катализатора с 5 до 14 мм максимальная температура в слое уменьшается с 587 до 552°С. При этом средняй- за цикл выход аммиака увеличивается с 15,5 до 17,2%. Дальнейшего снижения максимальной температуры можно добиться за еявт использо- [c.213]

В контактных аппаратах с неподвижным катализатором Нельзя применять водяные холодильники, так как вследствие весьма низкой теплопроводности пористых гранул ванадиевого катализатора [порядка 0,57 ккал м-град -ч) у теплообменных поверхностей происходит резкое-падение температуры ниже температуры зажигания катализатора. Кроме того, на холодных поверхностях теплообменных труб может конденсироваться серная кислота, что вызывает быструю их коррозию и порчу контактной массы, находящейся в зоне теплообменников. Эффективная теплопроводность кипящего с лоя достигает 15 ООО ккал/(д1 грй 9.ч) [181, а коэффициенты теплоотдачи столь велики [16, 19], что становится возможным применение водяных холодильников (см. главу IV). При этом не происходит конденсации серной кислоты на холодных поверхностях, омываемых кипящим слоем при снижении температуры до 390° С, т. е. ниже рабочих температур катализа [20]. Теплопередача от кипящего слоя к воде, протекающей в трубах водяного холодильника, происходит много интенсивнее, чем в газовых теплообменниках, которые устанавливают между слоями аппаратов с неподвижным катализатором коэффициент теплопередачи возрастает в среднем в 15 раз. Движущая сила процесса теплопередачи Ai (разность температур) также увеличивается примерно в 2 райа. Таким образом, площадь теплообмена Р, вычисляемая по формуле [c.144]

Влияние теплового эффекта в конкретной каталитической реакции определяется значением параметра 3. Для вьгаисления последнего необходимо располагать значениями коэффициента теплопроводности. Однако сведения о теплопроводности пористых структур, типичных для катализаторов, относительно немногочисленны. Основные исследования в этой области выполнены Зером [313], Мишке и Смитом [220], а также Масамуне и Смитом [203]. Результаты последних двух работ анализировал Бутт [51]. [c.167]

Обозначения Г, Г х, То - температуры слоя, на входе в слой и начальная с, Свх> Со соответствующие значения концентрации реагента в газовой смеси в слое, на входе и начальное и - линейная скорость потока газовой смеси, отнесенная к полному сечению слоя W T, с) - скорость химической реакции ДГад - адиабатический разогрев смеси при полной степени превращения I, L -текущая и общая длина слоя катализатора X - эффективный коэффициент продольной теплопроводности слоя - средняя обммная теплоемкость слоя катализатора Ср - средняя объемная теплоемкость реакционной смеси е -пористость слоя катализатора у = Ср + Сел D - эф ктивный коэффициент диффузии реагента в газовой смеси. [c.309]

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]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология