Катализаторы массо и теплопереноса

Проблемы численного решения полной системы уравнений в частных производных, описывающей неподвижный слой катализатора, обсуждаются в приведенной выше статье Бика. Уравнения массо- и теплопереноса в цилиндрическом слое сферических частиц с реакцией, описываемой линеаризованным кинетическим выражением, решены в работе [c.301]

Скорость химического превращения — феноменологическое свойство реакционной системы в определенных условиях проведения процесса. Она зависит от состава, давления, температуры и свойств катализатора (если он присутствует) в системе, а также, применяя общую формулировку, от условий течения или перемешивания, оказывающих влияние на массо- и теплоперенос. [c.242]

Механизм 2. объясняет возникновение хаотических колебаний по-другому, а именно взаимодействием процессов массо- и теплопереноса с химической реакцией [148]. В этом случае возникают неизотермические хаотические колебания. Предполагается, что реакция окисления водорода протекает по механизму Лэнгмюра—Хиншельвуда только на окисленной поверхности катализатора, поэтому в возникновении колебаний существенную роль играют процессы окисления — восстановления поверхности катализатора. [c.323]

Определение активности и селективности катализатора целесообразнее проводить в отсутствие искажающего влияния процессов массо- и теплопереноса. Исключение составляют реакции, идущие Б промышленных условиях во внешнедиффузионной области (например, окисление аммиака). [c.400]

Вторая задача, от которой непосредственно зависит успех создания эффективных искусственно создаваемых нестационарных процессов,— это дальнейшее развитие теоретических основ динамики гетерогенных каталитических реакторов. В нестационарных условиях гораздо сильнее, чем в стационарных, проявляется влияние процессов переноса вещества, тепла и импульса. Небольшие изменения, например, в условиях массо- и (или) теплообмена в зернистом слое катализатора могут привести к весьма заметным изменениям избирательности, степени превращения. Поэтому для осуществления нестационарных процессов требуется глубокое и ясное понимание всех физических процессов в реакторе. Количественное знание позволяет строить простые математические модели процессов в реакторах любой производительности. Кроме того, глубокое понимание всех основных закономерностей массо- и теплопереноса в реакторах позволяет создавать условия, благоприятно влияющие на показатели каталитического процесса. Нам представляется, что поиск таких условий эмпирически, на основе общих соображений нечасто будет приводить к заметным положительным эффектам. Особо важно отметить необходимость экспериментальных и теоретических работ по исследованию и количественному описанию поведения твердых частиц катализатора в реакторах, работающих в условиях псевдоожижения, пневмотранспорта, циркуляции частиц между реакторам н регенератором. Именно в таких реакторах легче организовать условия работы при нестационарном состоянии катализатора. [c.227]

Гетерогенные каталитические реакции являются сложными многостадийными процессами. Мы рассмотрим здесь их химическую кинетику, предполагая, что процессы массо- и теплопереноса протекают много быстрее собственно каталитической реакции и состав реакционной среды можно считать постоянным независимо от удаления от поверхности катализатора. Строгое и детальное изложение современной теории кинетики гетерогенных каталитических реакций дано в [6—81. [c.74]

Первый этап моделирования состоит в выявлении и описании структуры реактора (выделение уровней сложного процесса и установление связей между ними). Первым таким уровнем служит кинетическая модель процесса (см. гл. 4). Вторым уровнем для реактора с неподвижным слоем является модель процесса на одном пористом зерне катализатора. Составные части этой модели представляют собой стадии массо- и теплопереноса внутри зерен катализатора и химического превращения на активной поверхности. Связи между стадиями описываются уравнениями материаль- [c.115]

ПО времени контакта). Аппаратурное оформление проточного метода довольно просто, но при его использовании массе- и теплоперенос могут исказить экспериментальные данные или затруднить их обработку. Это связано с появлением градиентов температур по сечению слоя катализатора, возрастающего с уменьшением размера гранул и увеличением диаметра слоя (из-за ухудшения условий теплопередачи) температуры вдоль слоя катализатора вследствие выделения или поглощения тепла при протекании реакции скоростей потока по сечению слоя катализатора (при этом измеряемая средняя скорость потока может сильно отличаться от фактической скорости прохождения газа вблизи стенок трубки реактора) концентраций вдоль слоя катализатора, что приводит к продольному смешению реагентов. [c.18]

ПАРАМЕТРЫ - расчет теплофизических свойств смеси по данным его компонентов и параметров массо- и теплопереноса в зернистом слое. Программа используется при моделировании процессов в неподвижном слое катализатора. [c.469]

При осуществлении гетерогенно-каталитических реакций путем пропускания потока реакционных газов, жидкостей или их смесей через слой зернистого катализатора химическое превращение сопровождается физическими процессами переносом реагирующих веществ из газового или жидкого потока между зернами к поверхности зерен катализатора и продуктов реакции в обратном направлении, переносом реагирующих веществ в порах зерен катализатора, теплопереносом внутри зерен, теплообменом между поверхностью зерен катализатора и потоком реакционной массы. Таким образом, сложный гетерогенно-каталитический процесс можно представить как ряд последовательных стадий [c.672]

Диффузионное торможение процесса обычно сопровождается и затруднениями с отводом тепла реакции, ведущими к появлению перепадов температуры внутри пористого зерна катализатора и между поверхностью частицы и ядром потока. Реальные кинетические закономерности каталитического процесса определяются как истинной кинетикой реакции на активной поверхности, так и условиями массо- и теплопереноса их изучение составляет предмет макрокинетики, или диффузионной кинетики химических процессов. [c.112]

Определение активности и селективности катализатора целесообразнее проводить в отсутствие искажающего влияния процессов массо- и теплопереноса. Исключение составляют реакции, идущие в промышленных условиях во внешнедиффузионной области (например, окисление аммиака). Тем самым условия, при которых изучается активность катализатора, приближаются к оптимальным. Устранение внешнедиффузионного торможения достигается повышением линейной скорости потока, а внутридиффузионного— применением более мелких зерен катализатора. [c.340]

Иногда катализатор используют в виде проволочной сетки или активную фазу наносят только на наружную поверхность гранулы, изготовленной из инертного материала. В этих случаях превращение реагентов представляет собой последовательность массо- и теплопереноса в тонкой пленке жидкости (газа), примыкающей к наружной иоверхности катализатора, и химической реакции. [c.566]

Процессы массо- и теплопереноса вне и внутри таблетки катализатора будут рассмотрены ниже, поскольку они важны при детальном исследовании дезактивации катализаторов. [c.41]

МАССО- И ТЕПЛОПЕРЕНОС В ГРАНУЛАХ КАТАЛИЗАТОРА [c.42]

В гетерогенной реакции реагенты переносятся к наружной поверхности катализатора, а продукты отводятся от нее в ядро потока. Если существенна неизотермичность, то тепло реакции также переносится от поверхности катализатора в основной поток. Скорости массо- и теплопереноса между газом и внешней поверхностью катализатора определяются в первую очередь природой газового потока через слой катализатора. Вблизи поверхности катализатора образуется пограничный слой, в котором скорость газа меняется от скорости основного потока на границе этого слоя до нуля у поверхности катализатора. Перенос реагентов и продуктов через пограничный слой осуществляется путем диффузии. [c.42]

Знание фактора эффективности значительно упрощает расчет каталитического реактора, поскольку при этом автоматически учитываются любые диффузионные ограничения, что, в свою очередь, позволяет отказаться от решения дифференци-.альных уравнений массо- и теплопереноса для каждой гранулы или таблетки в слое катализатора. [c.50]

Влияние механизма коксоотложения на характер поведения гранулы катализатора во времени также наглядно иллюстрирует рис. 6.14, где приведены расчетные зависимости фактора эффективности от т для Ф = 1 и 16. Из этих зависимостей следует, что при Ф=1 параллельное коксоотложение приводит к более сильному падению активности, чем последовательное. При Ф = 16 эта закономерность меняется на обратную. Как можно было ожидать, при параллельно-последовательном механизме расчетные зависимости лежат между двумя крайними случаями. Результаты, приведенные в [6.17], отличаются от результатов работ [6.20] для изотермической гранулы и [6.21], в которой пренебрегали внешним массо- и теплопереносом. [c.136]

Общая проблема влияния на скорости реакций процесса диффузии исходных веществ и продуктов в порах зерен катализатора и процесса теплопередачи в неизотермических условиях была рассмотрена в разд. 4.5. Для расчета каталитических реакторов важно знать, как массо- и теплопередача в порах влияют на скорость реакции. Зная это, можно выбрать такой размер гранул катализатора, чтобы в приемлемых условиях проведения реакции для молекул реагирующих веществ была доступна только внешняя поверхность катализатора. Если внутренняя поверхность катализатора оказывается недоступной, то в некоторых случаях это приводит к значительному уменьшению величины удельной поверхности. Это может быть совершенно неприемлемым при проведении реакций в крупном масштабе, но, конечно, может использоваться для успешного проведения опытов по изучению кинетики, когда хотят ограничить влияние процессов массо- и теплопередачи на скорость реакции. Следовательно, если в основу расчета реактора положены полученные независимым путем кинетические данные, прежде чем делать попытки подставить какую-нибудь функцию, описывающую скорость реакции, в уравнение для общей скорости, необходимо знать степень влияния массо- и теплопереноса в порах катализатора. [c.412]

При проектировании реактора полезно определить фактор эффективности т], представляющий собой отношение скорости реакции Гр, тормозящейся влиянием массо- и теплопередачи, к скорости химической реакции г, протекающей без торможения. Тогда, для того чтобы определить скорость реакции в условиях значительного влияния массо- и теплопереноса, необходимо только умножить величину скорости химической реакции на фактор г . Сначала мы рассмотрим случай, когда температура внутри гранулы катализатора равна температуре на ее периферии, т. е. когда влияние теплопередачи отсутствует. В гл. 4 было показано, что для сферической частицы катализатора отношение скоростей двух указанных выше реакций, которое в этом случае также определяет долю поверхности, доступной для реакции, определяется выражением [c.412]

Очевидно, что при проектировании реакторов произведение скорости химической реакции, не зависящей от диффузии в порах, и фактора эффективности соответствующего катализатора дает значение скорости, которое может быть затем использовано для последующих расчетов. Как и в случае диффузии через газовую фазу, здесь имеется полезный критерий, позволяющий решить, насколько важно влияние массо- и теплопереноса при оценке общей скорости реакции. Для изотермического случая, когда Т равно единице, для реакции, согласно уравнению (101), доступна вся поверхность. Чтобы Ь, был приблизительно равен /г, величина Ъ должна быть малой. Критерием [c.414]

Будем рассматривать необратимую химическую реакцию первого порядка вида Л->продукты, зависимость скорости которой от температуры частицы катализатора определяется законом Аррениуса. В соответствии с указанными выше допущениями запишем уравнения массо- и теплопереноса и граничные условия для каждой из фаз. [c.161]

Специальной серией экспериментов показано, что масса исследуемого образца катализатора (от 10 до 50 мг) не влияет на температуру максимума скорости окисления при программируемом нагреве со скоростью 0.5 К/с. Это говорит о том, что процессами массо- и теплопереноса в слое катализатора при окислении можно пренебречь, в противном случае температура максимума скорости должна была бы зависеть от толщины слоя катализатора, т.е. от массы образца в нашем случае. [c.62]

Существенная особенность химико-технологическцх процессов состоит в том, что совокупность составляющих их явлений носит детерми-нированно-стохастическую природу, проявляющуюся в наложении стохастических особенностей гидродинамической обстановки в. аппарате на процессы массо-, теплопереноса и химического превращения. Это объясняется случайным взаимодействием составляющих компонентов фаз (соударением частиц, их дроблением, коалесценцией, случайным блужданием по объему аппарата) или случайным характером геометрии граничных успо-вий в аппарате (случайное расположение элементов беспорядочно уложенной насадки, зерен катализатора, производственная ориентация межфазной границы движущихся сред и т.п.). [c.6]

Об этом свидетельствует большое число публикаций, связанных с выявлением основных факторов, влияющих на эффективность работы катализатора в реакторах малого масштаба. К этим факторам относятся массо- и теплоперенос в слое, режим течения жидкой и газовой фаз, радиальное и продольное перемешивание, высота слоя и размер гранул катализатора [ЗО, 63, 64, 119, 120], Неучитывание этих факторов может привести к получению искаженных результатов и соответствующим ошибкам при получении данных для численного решения уравнений математического описания. [c.90]

При одновременном протекании в пористом зерне катализатора тшических реакций и процессов массо- и теплопереноса в нем возникают градиенты температур и концентраций, т. е. концентрации реагентов и температура смеси изменяются по глубине зерна и отличаются от их значений на поверхности. Скорость же превращения в аппарате обычно определяют при значениях переменных на поверхности катализатора. А для учета внутри-диффузионных эффектов вводится вспомогательная функция т], которая носит название фактора эффективности, или степени использования внутренней поверхности зерна катализатора, и определяется отношением [c.158]

Итак автоколебания в гетерогенно-каталитической системе могут возникнуть, если система открыта, система нелинейна и в системе существует обратная связь. В открытой гетерогенно-каталитической системе выделяются следующие стадии транспорта и химического превращения реагирующих веществ подача в реактор массо- и теплоперенос к активной поверхности катализатора адсорбция исходных веществ на активных центрах катализатора реакция между адсорбированными исходными веществами и перегруппировка адсорбционного слоя десорбция продуктов реакции массоперенос продуктов реакции от активной поверхности катализатора вывод из реактора продуктов реакции. [c.316]

В идеале кинетические уравнения должны помочь решить задачу сколько катализатора следует помещать в каждый слой данного реактора, чтобы достичь максимальной экономической эффективности. Но многие уравнения, опубликованные в литературе, имеют малое практическое значение или вообще его не имеют, так как не очень точно описывают активность катализатора во всем интересующем интервале условий, и в частности при высоких степенях превращения SO2 в SO3. Кроме того, наблюдаемые скорости определяются не только кинетическими факторами. Иа эффективность работы таблеток катализатора могут в значительной мере влиять различные процессы внешнего или внутреннего (внутри таблеток) массо- и теплоперено-са. В работах [22, 41, 52] детально обсуждаются проблемы эффективности катализатора. Диффузионные процессы можно расположить в порядке убывания их важности внутренний массоперенос > внешний массо- и теплоперенос>внутренний теплопе-ренос. [c.250]

Основные разработки в области конструирования реакторов и испытания катализаторов ведутся в трех направлениях. Первое— изучение реакторов полного смешения. Реакторы этого типа дают возможность изучения кинетики каталитического процесса при высокой степени превращения, уменьшая до минимума концентрационные и температурные градиенты. Второе направление — изучение влияния внутренних и наружных концентрационных и температурных градиентов на гранулах катализаторов на активность и селективность, соответственно. Данное направление широко исследовано Саттерфилдом и Шервудом [1] и Петерсеном [2] позднее был сделан обзор Карбер-ри [3]. Для ряда каталитических систем разработаны критерии определения условий, при которых становятся существенными ограничения по массо- и теплопереносу. Третье направление — создание систем управления и изучения моделей. Оно весьма интенсивно развивается применительно к математической обработке данных по сложным реакционным системам и к конкретным задачам. Читатель может обратиться по этому вопросу непосредственно к обзорам Фромента [4], Викмана [5] и Лапидуса [6]. [c.98]

Если, однако, гранулу катализатора получают прессованием из тонкого порошка, то длина микропор будет небольшой. Поэтому можно ожидать, что значение т1микро УДет близко к единице. Это можно легко показать простым расчетом. Скорость большей части технически важных реакций па таблетированных катализаторах имеет порядок около 10 кмоль/с на 1 м объема катализатора. Если скорость реакции имеет порядок кмоль/(м -с), то при использовании гранул обычного размера будут наблюдаться серьезные ограничения со стороны массо- и теплопереноса. Если, далее, значение модуля 5 0,5, то г 1, за исключением реакции, тормозящейся продуктами. Эффективный коэффициент диффузии зависит от давления, температуры и свойств диффундирующих веществ, но обычно значение его не менее 10 м /с. Концентрация единичного чистого реагента при атмосферном давлении и 400 °С равна 0,018 кмоль/м . В соответствии с определением Ф находим [c.199]

Отклонения от простейшей зависимости, представленной на рис. 3.3, появляются тогда, когда существенной становится не-гизотер мичность гранулы, а также в случаях, когда влияет внешний массо- или теплоперенос. В ряде работ [3.20, 3.21] показано, что при этом для экзотермической реакции фактор эффективности может быть больше, чем единица. Это является следствием ТОГО, что увеличение температуры относительно газовой фазы внутри частицы катализатора компенсирует, а в конечном счете и перекрывает влияние снижения концентрации реагента из-за внутридиффузионного сопротивления. Кроме того, было показано, что при некоторых значениях модуля Тиле можно по-.лучить несколько значений фактора эффективности. Такая множественность стационарных состояний играет важную роль при анализе устойчивости реактора. [c.52]

Общая проблема испытания катализаторов рассмотрена с практической точки зрения, с минимальным использованием теоретических обосновани Т. Предварительные, детальные и проектные испытания рассмотрены для идеализированного случая, соответствующего простой реакции на простом катализаторе. В реальных условиях возникают трудности вследствие многообразия продуктов реакции, сложности химической природы катализатора и наложения явлений массо- и теплопереноса. В зависимости от объективных условий следует решать вопросы о том, должны ли быть устранены ограничения, накладываемые массопереносом, какие основные факторы требуется исследовать и какая должна быть использована методика — дифференциальная, интегральная или обе вместе. Особое внимание здесь уделено общим, важным для практики принципам (без рассмотрения деталей аппаратуры). [c.749]

Описанные выше данные по зависимости активности и селективности катализаторов окислительной конденсации от удельной поверхности, от давления и влияния инертных газов указывают на необходимость учета пористой структуры катализаторов и диффузии в порах реакционных газов, продуктов и промежуточных частиц, свободных радикалов. Существование необратимых ограничений, связанных с массо- и теплопереносом в химических реакциях, было впервые показано Бударом [387] на примере полимеризации (так называемый гель-эффект) и гомогенных радикальных реакций (так называемый эффект стенки). Идеями Будара воспользовались Коувенберг и соавт. [388], рассмотревшие необратимые транспортные ограничения в пористых катализаторах окислительной конденсации метана. [c.289]

Теперь, основываясь на аналогии между тепло- и массопереносом и используя экспериментальный или теоретический материал, можно рассчитать процесс переноса В нутри частицы, что позволяет определить критерии Био, М и II, для массо- и теплопереноса предполагается, что известны надежные данные для оценки теплопроводности таблетки катализатора. Для большинства носителей принято, чго к имеет величину порядка 10 кал1см сек °С 5. Прямых измерений к очень мало, однако имеющиеся данные [14] лежат в этих пределах. Но даже при наличии исчерпывающих измерений эффективного коэффициента диффузии проблема точного определения М и Н остается в связи с необходимостью определения коэффициентов h и k , характеризующих внутреннюю диффузию. Существует огро.мное количество литературы, в которой рассматривается связь h и kg (в терминах /-фактора) с критерием Рейнольдса для неподвижното и псевдоожижецпого слоев. С псевдо-ожиженным слоем связан ряд других спорных проблем, поэтому мы ограничимся рассмотрением неподвижного слоя. Общие /-факторы определялись в интегральных слоях и при этом обычно предполагалось, что [c.42]