Градиенты слое катализатора

Граничные условия на выходе из слоя катализатора выбираются, исходя из условия отсутствия градиента концентраций на границе при I = L, так как покинувшие слой веш,ества обратно вернуться не могут. Поэтому получаем [c.126]

В 2.3 отмечалось, что отклонение от модели идеального вытеснения происходит по трем различным причинам при возникновении поперечных градиентов температуры, при наличии продольной и поперечной диффузии и поперечных градиентов скорости. В 2.4 и 2.5 рассматривался первый и, несомненно, самый важный из этих факторов особенно это относится к реакторам с неподвижным слоем катализатора. При этом указывалось, что в таких реакторах необходимо также учитывать поперечную диффузию. Перейдем теперь к рассмотрению влияния продольной и поперечной диффузии, ограничившись кратким и, в основном, качественным рассмотрением вопроса. [c.59]

Для размещения 10 м катализатора требовалось 2000 труб длиной 4,5 м. При этом вес реактора был весьма значительным сильно повышалась стоимость аппарата. Несмотря на малую толщину слоя катализатора, поперечный температурный градиент был велик и разность температур между стенкой и серединой слоя достигала 8—12 °С. При охлаждении обычной кипящей жидкостью температура хладоагента постоянна, и реакция протекает в основном в верхних слоя катализатора. Небольшое возрастание скорости газового потока вызывает увеличение тепловыделения и порчу катализатора вследствие перегрева. При нормальных условиях количество перерабатываемого газа не превышало 100 м ч на 1 м катализатора, причем скорость потока, отнесенная к пустому сечению, составляла 5—10 см сек. Производительность реактора, работавшего на 10 м катализатора, составляла 2 г углеводородов в сутки. Для повышения производительности были созданы условия, при которых теплоперенос осуществлялся не только при помощи теплопроводности через слой катализатора, но и путем конвекции. [c.346]

Существование гистерезиса объясняется теплопередачей между нагретыми частицами катализатора в реакторе и менее горячим реакционным потоком. Когда в реакторе происходит теплообмен за счет радиации в начальной части слоя катализатора (горячий слой катализатора и холодный, еще не вступивший в химическую реакцию, газ), в реакторе [3, 4] возможно существование трех устойчивых стационарных состояний, разделенных двумя неустойчивыми. При этом влияние инертных наполнителей, уменьшающих температурный градиент между слоем и газом, расио-ложенных перед слоем катализатора и после него, рассмотрено в [4, 5]. Условия, при которых возможно зажигание, получены, например, в [6]. Анализ этих условий показывает, что для гетерогенных каталитических реакторов зажигание происходит тем эффективнее, чем длиннее слой. Следует поэтому предположить, что имеется предельное значение длины слоя катализатора, при превышении которой устойчивы лишь зажженные стационарные [c.284]

Проблемы поддержания необходимого давления в реакционном аппарате и создания в нем этого давления носят чисто конструктивный характер. Если эффективность процесса возрастает с увеличением давления, предел повышению рабочего давления в реакторе ставит лишь одновременное удорожание аппарата. Удачное конструктивное решение позволяет поднять допустимый предел давления и тем самым интенсифицировать промышленный процесс. Перепад давлений внутри реакционной зоны может быть вызван гидравлическим сопротивлением слоя катализатора. Отрицательный эффект последнего, однако, связан в основном не с созданием градиента давлений, а с увеличением энергетических затрат на движение потока. [c.262]

Эти методы пригодны для обработки экспериментальных данных, полученных в изотермических условиях (при отсутствии градиентов, температуры по длине слоя катализатора и радиусу трубки). Проведение экспериментов в неизотермических (адиабатических, в част-, ном случае) условиях приводит к усложнению методов обработки. [c.425]

Эта модель удовлетворительно описывает процессы в адиабатическом слое катализатора при допущениях градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны химические процессы на 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.309]

Высоту каждого слоя катализатора выбирают из расчета допустимого градиента температуры, который не должен превышать 20 °С во избежание теплового взрыва и сокращения срока службы катализатора. [c.149]

Простейшим является реактор с неподвижным слоем катализатора. Он представляет собой большой, герметично закрытый цилиндр, у дна которого имеется решетка, поддерживающая слой катализатора (рис. 1). В таком реакторе трудно равномерно распределить поток газов и избежать градиентов температур по слою катализатора, а также предотвратить разложение реагентов на перегретых его участках или снижение скорости реакции на недостаточно нагретых участках. Распределение потока газов по слою катализатора можно улучшить, поместив в реактор перегородки. Однако при этом возрастает сопротивление потоку газа, и превращение реагентов на более холодном пристенном слое катализатора остается неполным. [c.111]

Если предположить дополнительно, что в точке слоя катализатора с максимальным градиентом температуры 0 реализуется максимальный градиент степени превращения (х"=0), то для реакции первого порядка оценка (31) может быть улучшена [c.40]

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]

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]

На рис. 6 приведены профили фильтрационной скорости V, максимальной температуры 0, степени превращения и скорости химической реакции на катализаторе в момент установления. Рост степени неравномерности V приводит к резким градиентам 0, I и по длине слоя, сосуществованию в одном слое катализатора диффузионных и кинетических режимов каталитического процесса и, как следствие, наличию горячей и холодной зон в реакторе. Естественно, это ухудшает эффективность работы реакторов с неподвижным слоем катализатора. [c.92]

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]

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]

При использовании проточного метода с неподвижным слоем катализатора в реакторе обычно допускают, что движение газа в слое катализатора отвечает режиму идеального вытеснения, т. е. пренебрегают радиальными градиентами давления, температуры, концентрации. Соответственно среднюю скорость процесса по высоте слоя Н или по времени контакта т (поскольку т пропорционально Н) определяют интегрированием кинетических уравнений (VI. 1) и (VI. 3). Аналитическое решение кинетических уравнений, как правило, возможно лишь с применением вычислительных машин. При их отсутствии прибегают к графическому дифференцированию зависимости х = /(т), что вносит погрешности. [c.284]

Рис. 2.25. Зависимость градиента температуры от продолжительности реакции Д1(х) системы на импульсное возмущение т при обстукивании циклонов 1 — функция отклика пластинчато-каталитического реактора 2 — функция отклика нижней половины слоя катализатора реактора с насыпным слоем 3 — функция отклика верхней половины слоя катализатора реактора с насыпным слоем

Дегидрирование сопровождается интенсивным поглощением тепла, и чтобы обеспечить нормальное течение реакции, исходные вещества нагревают перед подачей в адиабатический реактор с неподвижным слоем. В результате температура в слое катализатора падает в направлении движения потока сырья. С целью снижения градиента температуры и давления используют тонкий и широкий слой катализатора. [c.67]

Одноступенчатый процесс гидрокрекинш вакуумных ДИС-.. тиллятов проводится в многослойном (до пяти слоев) реакторе с несколькими типами катализаторов. Для того, чтобы градиент темпере тур в каждом слое не превышал 25 °С, между отдельными слоями катализатора предусмотрен ввод охлаждающего ВСГ (квенчинг) и установлены контактно —распределительные устройства, обеспечивающие тепло— и массообмен между газом и реагирующим ПОТС ком и равномерное распределение газожидкостного потока над слоем катализатора. Верхняя часть реактора оборудована гасителями кинетической энергии потока, сетчатыми коробками и фильтрами для улавливания продуктов коррозии. [c.239]

Рис. УП1-19. Радиальные и продольные градиенты температуры и концентрации в слое катализатора Фишера—Тропша при 200 °С в реакторе вытеснения [по шкале О—15 отложены (в °С) приращения температуры в слое по сравнению с начальной температурой по шкале О—4 отложены (в м) расстояния по оси слоя по шкале О—10 отложены (в мм) расстояния по радиусу слоя]1 2.

Как уже отмечалось, поперечную диффузию, обусловленную наличием насадки, следует учитывать в связи с поперечными градиентами температур. Необходимость учета продольной диффузии при расчете реакторов существенно зависит от соотношения его длины и размера зерен. Если это отношение равно или больше 100, что обычно имеет место на практике, то влиянием продольной диффузии можно пренебречьОднако в тонких слоях эффект может оказаться значительным [9, стр. 95]. К числу реакторов вытеснения с исключительно тонкими (в указанном смысле этого слова) слоями катализатора относится аппарат, применяемый для окисления аммиака. В нем реагирующий газ проходит всего через три или четыре слоя платиново-родиевой сетки, используемой в качестве катализатора. Если бы не влияние продольной диффузии, то для 100%-ного окисления аммиака хватило бы и меньшего числа таких сеток. [c.64]

Из давно применяющихся методов здесь следует упомянуть методы Хэлла и Смита а также Ирвина, Олсона и Смита , опубликованные в 1949 и 1951 гг. Описываемые методы ставили своей задачей определение длины слоя катализатора, необходимого для получения заданной степени превращения, а также вычисление степени превращения для заданной длины слоя как функции таких параметров, как скорость потока, исходный состав вещества, температура и давление на входе реактора. Расчеты проводились для неизотермического и неадиабатического процессов. В этом случае, вследствие потока тепла через стенки реактора, возникает поперечный температурный градиент, причем разность температур в радиальном направлении может быть значительной. Необходимо иметь возможность определения температурного профиля в осевом, и радиальном направлениях. Для получения данных, необходимых для проектирования, и прежде всего скорости реакции как функции температуры, давления, состава, а также эффективного коэффициента теплопроводности, требовались соответствующие экспериментальные исследования. В настоящее время теория и эксперимент, относящиеся к проблемам теплопроводности, получили значительное развитие. До недавнего времени, однако, эти данные были довольно ненадежными, а соответствующие методы расчета еще и сегодня нельзя считать достаточно завершенными. [c.153]

Сделан вывод о существеиной роли внешней диффузии при регенерации в промышленных аппаратах с движущимся слоем катализатора. Регенерационные характеристики промышленных катализаторов предложено оценивать при регенерации их в неподвиж ном слое при температуре 650° С и объемной скорости воздуха 200 1/ч [43, 51]. Отметим, что в алое регенерируемюго катализатора существует градиент концентраций в папра влении патока газа. [c.78]

В. приведенных выше расчетах реакторов не были учтены некоторые факторы, существенно усложняющие расчеты. Например, к ним относятся такие факторы, как изменение объема потока в связи с изменением температуры реакции и гидравлическим сопротивлением слоя катализатора или вследствие протекания химической реакции, возникновение радиальных градиентов температуры в слое катализатора и т. п. Далее, выражение скорости реакции формальными уравнениями с эффективными коэффициентами хорошо оправды- [c.288]

Для определения кинетики необходимо использовать безгра-диентные или проточно-циркуляционные установки [39, 41, 121], позволяющие проводить реакцию в течение длительного времени, достаточного для того, чтобы образец катализатора достиг стационарных условий. Циркуляционный реактор похож на дифференциальный, но за счет внешней или внутренней циркуляции газа температурные и концентрационные градиенты по слою катализатора, обусловленные протеканием реакции, сводятся к минимуму. Как дифференциальный, так и циркуляционный реакторы применяют для того, чтобы добиться изотермического режима. Но на практике к нему приближается только циркуляционный реактор. Заметим, что для измерений истинной кинетики необходимо вместо таблеток использовать очень мелкие частицы катализатора с тем, чтобы свести к минимуму влияние массопереноса. [c.260]

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]

Математическое описание процессов в адиабатическом слое катализатора имеет вид (1)—г(6), если выполнены следующие-предноложения а) градиенты температур внутри зерен катализа- [c.28]

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]

Выжиг кокса в слое катализатора сопровождается формированием и перемещением по длине слоя температурных и концентращюнных волн. В качестве примера на рис. 4.6 показан характер регенеращ1И закоксованного слоя катализатора для следующего набора определяющих параметров х = 1,2% (об.), = 5% (масс.), з = 3,4 мм, время контакта (отношение объема реактора к объемной скорости подачи газового потока) Хк = 14 с (взяты из работы [162]), Tq = 480 °С. Как видно, в процессе выжига происходит формирование в слое катализатора характерного температурного профиля, который в дальнейшем перемещается в направлении движения газового потока. Качественно аналогичный результат получен и авторами работы [162]. Однако для данных условий не было обнаружено существование стационарного (перемещающегося без изменения температурного градиента) фронта горения в течение длительного времени. Это связано с тем, что в расчетах учтена осевая теплопроводность по слою катализатора, способствующая разукрупнению крутых температурных градиентов. Одновременно с движением температурного фронта происходит характерное изменение распределения по длине слоя средней относительной закоксованности. При этом в лобовом участке слоя из-за сравнительно низких температур скорость удаления кокса меньше, чем на последующих участках. Интересен следующий результат чем больше объемная скорость подачи (меньше время контакта), тем относительно больше кокса остается невыгоревшим [c.86]

При дальнейшем увеличении глубины слоя профиль пористостп остается постоянным. На небольших глубинах слоя имеет место довольно значительное изменение пористости (см. рис. 2). Такое изменение по высоте слоя катализатора, а следовательно, и скоростей фильтрации газа, по-видимому, необходимо учитывать в расчетах для процессов с высокой параметрической чувствительностью. Таким образом, в крупнотоннажных аппаратах из-за значительного радиального градиента вертикальных напряжений влияние стенки на структуру слоя может распространяться по радиусу на расстояние большее, чем ширина пристеп- [c.97]

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]

Пусть в момент времени / = О входная температура скачкообразно уменьшилась до величины 6о = — 7,5 и далее при любом I оставалась неизменной. Предполагается, что величина скорости химического превращения при этой температуре пренебрежимо мала. На рисунке видно, что с течением времени максимальная температура реакционной смеси в слое не только не уменьшилась, но даже увеличилась, приблизившись к некоторому пределу бщ . Температурный градиент в формирующемся фронте выше стационарного, а при 4 4 он остается практически неизменным. Фронт сформировался. Теперь по слою катализатора с неизменной скоростью перемещается тепловая 0( , 1) и концентрационная 4) волны (фронты), которые в системе координат г = Г—ш1 остаются неизменными (здесь I — длина слоя катализатора, м — скорость движения фронта). Тепловой фронт гетерогенной химической экзотермической реакции, как показано ниже, обладает рядом чрезвычайно интересных свойств. Среди них, например, такое разность между максимальной температурой во фронте От и входной температурой реакционной смеси Во может быть во много раз больше величины ДЭадЛ р (бтах), где Хр (0тах) — равновесная степень превращения при максимальной температуре во фронте. [c.79]

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]

Перепад температуры по радиусу зерна определяется как интенсивностью теплопереноса внутри зерна, так и интвнсжвностыо отвода тепла, выделяющегося в зерне. Наличие теплопереноса по скелету слоя обеспечивает отвод тепла к соседним участкам зернистого слоя катализатора. Это увеличивает дисперсию тепла по слою возрастает ширина зоны реакции, как следствие, уменьшается максимальная температура во фронте (рис. 3.5). При этом уменьшаются и температурные градиенты по слою и по радиусу зерна катализатора. С ростом интенсивности теплопереноса по слою влияние внутреннего переноса тепла в зерне па температуру фронта уменьшается. Численный анализ позволил также сделать вывод [c.93]

Если известен градиент перепада давления в слое Ар/ Н, то уравнение (XVIII. 15) используется для определения скорости потока, а следовательно, и их количества, которое необходимо для обеспечения этого градиента перепада давления. Такая задача возникает, например, при расчете паровых и газовых затворов на установках каталитического крекинга, а также при определении количественного распределения потока паров между различными слоями катализатора и др. [c.461]

Сырьевая смесь может быть предварительно подогрета на 5—10° С ниже заданной температуры реакции, которая достигается уже в реакционном объеме за счет выделяющегося тепла. Однако для селективного протекания процесса и облегчения его регулировапия желательно, чтобы режим в реакторе был близок к изотермическому. Прц использовании кипящего слоя катализатора градиент температур между поступающим сырьем и реакционной зоной может быть увеличен до 50—100° С. [c.274]

Результаты вычислений на машине. Сложность оптимизируемой функции требует псиользовапия цифровой вычислительной машины. Предварительные расчеты были получены для идеальных условий без учета суммарного перепада давлений через слой катализатора, градиента давления и температуры от окружающего потока к наружной поверхности гранул катализатора, а также в предположении, что фактор эффыстивпости равен единице. [c.452]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология