Катализаторы градиенты концентрации и температуры в слое

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]

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]

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]

Процесс в неподвижном слое катализатора опишем квазигомогенной моделью, т.е. протекающим в сплошной среде, через которую движется поток реагентов с линейной скоростью и (или объемной V). Химическое превращение веществ протекает во всем объеме со скоростью w( , Т). Возникающие градиенты концентраций и температуры обусловливают перенос вещества и тепла по слою, характеризуемый коэффициентами X. , Dj, D , а . Если внешний перенос на зерне катализатора существенен, то модель будет двухфазной. [c.99]

Таким образом, при работе проточным методом снижение высоты слоя катализатора, благоприятное для уменьшения градиентов температур, может оказаться в то же время благоприятным и для возникновения искажающего влияния градиентов концентраций. Отметим, также, что при очень тонких слоях катализатора в проточной системе возникает неравномерность поля скоростей из-за возможных проскоков газа. [c.526]

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]

Разработаны также двухфазные модели, учитывающие неравномерное распределение концентрации компонента внутри сферической частицы пористого катализатора и, соответственно, различную скорость реагирования в зерне. При этом температура Т по всему зерну считается постоянной, но отличной от температуры I сплошной фазы. Введение таких условий компенсируется предположением об отсутствии градиентов концентрации и температуры в поперечном направлении слоя [c.165]

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]

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]

Таким образом, для сохранения принципиальной картины явления и возможности анализа основных закономерностей изучаемого процесса приходится отказаться от несущественных в первом приближении деталей отличия действительно реализующегося неавтомодельного течения от принятого, фильтрационных перетоков газа вдоль пористого слоя, вероятных изменений в структуре пор при разогреве, градиентов температур и концентраций внутри зерен катализатора и некоторых других. [c.87]

Если разности температур и концентраций веществ между потоком и поверхностью катализатора существенны, то модель процесса будет двухфазная. Одна фаза (газовая) - движущийся через слой поток реагентов, другая (твердая) - неподвижные частицы катализатора, в которых протекает реакция. Перенос тепла, обусловленный возникающими градиентами температур и характеризуемый эффективными коэффициентами X , а , разделяется по фазам. Аналогичный перенос вещества имеет место только в потоке реагентов. Коэффициенты переноса тепла и вещества между фазами а , Р3. В этой модели обе фазы квазигомогенны, и потому каждая точка пространства слоя катализатора представлена двумя наборами концентраций веществ, температур и параметров, характеризующих состояние газовой и твердой фаз. [c.103]

Уравнения в табл. 3.2 описывают поле температур Т и концентраций с (или степеней превращения х) в слое катализатора. Характерный вид профилей Гих в слое показан на рис. 3.14. В адиабатическом процессе (рис. 3.14, а) температура и степень превращения в слое возрастают. Если экзотермический процесс протекает в охлаждаемой трубе, то температурный профиль имеет вид кривой с экстремумом (рис. 3.14,6). Вначале, когда концентрация исходного вещества высокая, процесс протекает интенсивно и температура повышается. По мере увеличения степени превращения скорость реакции и, следовательно, интенсивность тепловыделения уменьшаются, начинает превалировать теплоотвод и температура понижается до температуры охлаждающей среды (холодильника). При заметной интенсивности продольного смешения профили температур и степеней превращения выравниваются (пунктир на рис. 3.14,6). Если радиальный перенос тепла недостаточно интенсивен, то возникает градиент температур по радиусу (рис. 3.14, в), а поле температур имеет сложную форму (рис. 3.14, г). Поскольку стенки слоя для вещества непроницаемы, радиальное смешение выравнивает концентрации по радиусу и, как показывают многочисленные расчеты, радиальный профиль концентраций почти плоский и практически малочувствителен к Это позволяет при расчетах использовать значения Пд = П . [c.118]

В этом случае в адиабатическом слое катализатора радиальная диффузия и теплопередача будут отсутствовать, так как в нем нет градиентов температур и концентраций в поперечном направлении. [c.190]

Следует отметить, что безградиентные реакторы могут применяться для изучения реакций на крупных зернах катализатора при наличии диффузионного торможения в порах. При этом градиенты отсутствуют только в газовой фазе, а внутри зерна концентрации и температура могут изменяться. Такое зерно можно рассматривать как совокупность слоев, найти концентрации и скорости для каждого слоя и затем скорости просуммировать. Если поверхность катализатора однородна, реакция на зерне также описывается уравнениями (11,10) и (11,11), где индекс п относится теперь к номеру слоя. [c.28]

Поэтому для сравнительной оценки активности и селективности алюмосиликатных катализаторов наиболее приемлемы лабораторные установки полного смешения, позволяющие непосредственно определять скорость реакции. Важным преимуществом установок данного типа является также отсутствие градиента температуры и концентраций, равномерность работы всех слоев катализатора и возможность использования небольших навесок образца. [c.63]

При изучении процессов в слое катализатора необходимо учитывать диффузию и теплопередачу. В неподвижном слое катализатора возможно раздельное изучение радиального и продольного переноса вещества и тепла В адиабатическом слое катализатора отсутствует радиальная диффузия и теплопередача, т.к. в нем нет градиентов температур и концентраций в поперечном направлении. Продольный перенос в адиабатическом слое следует учитывать лишь при [c.138]

Однако наряду с положительным влиянием беспорядочного движения частиц на технологические процессы в кипящем слое следует также отметить, что это движение вызывает и ряд отрицательных явлений. Выравнивание температур и концентраций в результате перемешивания твердых частиц и жидкости или газа вызывает, например, снижение температурных и концентрационных градиентов и, следовательно, снижение скорости тепло- и массообмена в кипящем слое. При соударениях частиц они измельчаются и в аппаратах с кипящим слоем катализатора его периодически приходится возобновлять. В топках и газогенераторах с кипящим слоем перемешивание частиц топлива и щла-ка затрудняет организацию нормального режима без шлакования. [c.6]

Кипящий слой в реакторе разделен 12 решетками провального типа. Решетки противодействуют перемешиванию газа и катализатора, создавая тем самым условия, близкие к противотоку, по высоте слоя появляется градиент температур и концентраций, снижается вероятность побочных реакций, а следовательно, увеличиваются выходы целевого продукта. Кроме того, решетки препятствуют проскоку газов в виде пузырей, разбивая их и увеличивая тем самым конверсию сырья, а в регенераторе способствуют более эффективному использованию воздуха. [c.152]

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.

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]

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]

Во-первых, это неоднородности, имеющие пространственный масштаб, соизмеримый с размерами зерна катализатора. Они возникают при обтекании потоком частицы, имеющей точки контакта с соседними частицами в слое, и обусловливают неравно-доступиость поверхности частицы [5]. Условия прилипания среды к частице, течение среды в каналах переменного сечения мелч ду частицами, а также химическая реакция на зерпе вызывают образование нормальных к поверхности частицы градиентов скорости, температуры и концентрации. Гидродинамическая картина течения потока в засыпке шаров подробно исследована экспериментально [6]. Показано, что переход от ламинарного [c.4]

Безградиентный проточно-циркуляционный метод осуществляют в условиях практического отсутствия в реакционной зоне перепадов концентраций, температур, скоростей. Принцип его применительно к изучению кинетики гетерогенных каталитических реакций был впервые предложен М. И. Темкиным, С. Л. Киперманом и Л. И. Лукьяновой [25]. Перемешивание в проточно-циркуляционной системе достигается применением интенсивной циркуляции реак-циолной смеси через катализатор в замкнутом объеме при непрерывном поступлении и выведении газового потока, причем количество циркулирующего газа должно значительно превышать количество вновь вводимого исходного газа. Циркуляция с большой скоростью происходит с помощью насосов механических, поршневых или электромагнитных, мембранных и других [2,3], Циркуляционный контур, состоящий из электромагнитного насоса (производительность 600—1000 л/ч), клапанной коробки двойного действия 2 и реактора 1 представлен на рис. 120. Высокая линейная скорость реакционной смеси в цикле и малая степень превращения обусловливают минимальные градиенты концентраций и температур, при этом слой можно рассматривать, как бесконечно малый, а реактор — как аппарат идеального смешения. Следовательно, скорость [c.286]

После завершения подъема температуры процесс регенерации протекает в установившемся режиме, при этом тщательно контролируют температуры по зонам и поддерживают концентрацию кислорода не выше 1,0% (после канденсации водяного пара). Максимальная температура горения кокса наблюдается в верхних слоях катализатора, где концентрация кислорода максимальна. Градиент температуры газового потока по реактору при газовоздушной регенерации достигает 40—50 °С и при паровоздушной регенерации 55—65°С. [c.176]

Для моделирования каталитических реакторов с неподвижным слоем было разработано два основных подхода. Один из подходов рассматривает реактор, состоящий из двух фаз частиц катализатора и потока реакционной смеси поскольку в этом случае гетерогенная природа реактора полностью выявлена, такая модель нaзывaeт i гетерогенной моделью. Другой подход не учитывает в явном виде гетерогенную природу реактора, но предполагает, что система является гомогенной с некоторыми средними свойствами, характеризующими слой как целое такая модель называется квазигомогенной, Квазигомо-генные модели могут применяться достаточно часто так как содержимое реактора рассматривается как единое целое, то для описания системы необходимы только два уравнения — материального и теплового балансов. Если система очень чувствительна к температуре, необходимо применять гетерогенные модели, так как в этих условиях могут возникнуть значительные градиенты концентрации и температуры между потоком и [c.143]

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]

Аппаратурное оформление проточного метода довольно просто, но при его исполь-овании процессы массо- и теплопередачи могут привести к искажению эксперимен-альных данных или затруднить их обработку. Это связано с появлением градиента емпературы по сечению слоя катализатора, возрастающего с уменьшением размера го и гранул относительно диаметра трубки реактора градиента температуры вдоль лоя катализатора вследствие выделения или поглощения тепла при протекании еакции градиента скоростей потока по сечению слоя катализатора (при этом изме-яемая средняя скорость потока может сильно отличаться от фактической скорости рохождения газа вблизи стенок трубки реактора) градиента концентраций вдоль лоя катализатора. [c.509]

В условиях синтеза метанола из окиси углерода и водорода при давлении 250 ат и температуре около 380 на цинкхромовом катализаторе степень превращения исходных веществ в метанол невелика. Поэтому не возникает сколько-нибудь значительного градиента концентрации окиси углерода или водорода. Исходные вещества — окись углерода и водород — реагируют на поверхности пор, пронизывающих зерна катализатора, с образованием метанола, который затем диффундирует к внещней поверхности зерен катализатора. Когда скорость реакции достаточно мала и отвод об-разовавщегося метанола посредством диффузии не затруднен, концентрация метанола и скорость реакции во всем объеме зерна одинаковы. Это отвечает протеканию реакции в кинетической области. При повыщении температуры скорость реакции превышает скорость диффузии, вследствие чего концентрация метанола в центре зерна катализатора становится больше поверхностной концентрации. Увеличение концентрации метанола приводит к снижению скорости реакции по сравнению с тем значением, которое она имела бы при отсутствии диффузионных торможений. Дальнейший рост скорости реакции приводит к тому, что реакция локализуется по преимуществу б слое, толщина которого мала по сравнению с размером зерна. Такой режим отвечает протеканию процесса во внутренней диффузионной области. [c.58]

Приглашение представить на этот симпозиум доклад, посвященный переносу вещества и тепла, может быть истолковано как предложение обрисовать пути развития и прогресса, достигнутого в этой области науки с тех пор, как Дамкелер [1], Тиле [2] и Зельдович [3] в конце 30-х годов основали теорию, а Брётц 4] сделал десятью годами позднее первые измерения. С тех пор эта область науки приобрела большое значение. В настоящее вре.мя кажется само собой разумеющимся, что при кинетических измерениях на пористых катализаторах надо либо принимать во внимание градиенты концентрации и температуры впутри зерна, либо осторожно избегать их. Производство промышленных катализаторов сейчас имеет целью достичь максимальной активной новерхности на единицу объема реактора, максимальной доступности этой поверхности и низкого сопротивления неподвижного слоя потоку газа. Не менее важны также достижения в применении тео- [c.16]

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]

Некоторые результаты расчетов нестационарных режимов промышленного реактора окисления о-ксилола представлены на рис. 3.52. Они уточняют выводы по квазигомогенной модели. Из рис. 3.52 видно, что температурные градиенты в зерне незначительны, т.е. зерно изотермично. В противоположность этому имеются значительные концентрационные градиенты в зерне, указывающие на сильное влияние внутренней диффузии. Разности концентрации в зерне наиболее значительны в передних горячих участках слоя катализатора и уменьшаются с понижением температуры вследствие более сильного охлаждения по сравнению с тепловыделением в последних участках слоя. Разности концентрации и температуры между наружной поверхностью зерна и газовой фазой в общем были малы, только в горячей точке разность температуры превышала 5° по оси реактора. [c.173]

Почти полвека назад Дамкёлер [20] изучил возможность изменения масштабов химических реакторов на основе теории подобия. Он пришел к выводу, что в трубчатых реакторах, имеющих градиенты температуры, концентрации и потока, полное и одновременное подобие механических, термических и химических свойств возможно только при протекании единственной четко определенной реакции. Это справедливо для незаполненных гомогенных реакторов. Для реакторов со слоем катализатора подобие сохраняется только при ламинарном потоке, который редко используется в промышленности. [c.59]

Диспропорционирование толуола проводили на бор-алюми-ниевых катализаторах, содержащих 10% (масс.) бора [6.10]. Данные по распределению кокса по грануле для двух разных температур приведены на рис. 6.1 (а). Известно, что концентрация исходного реагента А наибольшая на наружной части гранулы. Градиент этой концентрации по грануле тем выше, чем больше величина модуля Тиле Ф. При больших Ф слой кокса может иметь четкую границу с незакоксованной внутренней частью гранулы, а при малых Ф, т. е. при отсутствии влияния внутренней диффузии, коксообразование по глубине гранулы катализатора должно быть равномерным. В зтих опытах изменение величины модуля Тиле достигали повышением температуры. Так, при 440 °С модуль Тиле был мал и наблюдаемое распределение кокса оказалось близким к равномерному. При 550 °С, наоборот, имеет место сильное диффузионное торможение и в грануле явно выражена граница между наружной закоксованной и внутренней недезактивированной зонами. [c.118]

При движении газового потока через слой мелкозернистого или пылевидного материала за счет динамического напора газового потока на слой материала происходит его взвещива-ние, сопровождающееся интенсивной циркуляцией частиц в газовом слое. При этом двухфазная система (газ - твердое тело) приобретает свойства кипящей жидкости. Кипящий слой характеризуется высокой однородностью, отсутствием существенных градиентов температур и концентраций по всему обьему слоя. Это дает ряд технологических преимуществ процессам, проводимым в кипящем слое. Такие печи нашли широкое распространение в технологии изготовления и прокалки микросфериче-ских катализаторов, при регенерации катализаторов (выжиг кокса) и в ряде других процессов химической технологии. [c.434]

Весьма простыми и надежными для изучения кинетики гетерогенных реакций оказались безградиентные методы, принцип которых предложен М. И. Темкиным и осуществлен в виде проточноциркуляционного метода [371, 372], позволяющего непосредственно измерять скорость реакции, не осложненную диффузией и градиентами температур, концентрации вещества и скоростей реакции по сечению слоя катализатора. Метод нашел широкое применение в различных лабораториях Советского Союза при помощи него М. И. Темкиным и его сотрудниками изучена кинетика синтеза аммиака [373], кинетика окисления этилена в окись этилена, реакция метана с водяным паром и ряд других процессов химической технологии. Безградиентные методы применяются также Д. В. Сокольским [374], Г, К. Боресковым [375], С. Л. Киперманом [376] и др. [c.65]