КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условияхВ последние годы исследователи, занимающиеся катализом, уделяют большое внимание нестационарным каталитическим процессам. В качестве причин, вызывающих интерес к этим явлениям, можно назвать, во-первых, то, что многие каталитические процессы нестационарны по своей природе - под воздействием реакционной среды во времени происходит изменение каталитической активности. Во-вторых, оказалось, что в ряде случаев искусственно созданная нестационарность позволяет конструктивно более просто решить вопросы создания оптимальных технологических режимов. Напомним, что стационарный режим характеризуется постоянством во времени параметров процесса, в частности постоянными остаются состав и температура газовой фазы в реакторе, а также концентрации всех промежуточных соединений на поверхности. В этом случае и скорость каталитического процесса «стационарна», она полностью определяется составом реакционной смеси в газовой фазе и температурой катализатора: ωRA = ωRA (СА,СВ,СRCS...Т) В нестационарных процессах состав газовой фазы и температура катализатора во времени изменяются. Уравнения материального и теплового балансов для зерна катализатора или слоя катализатора в целом содержат члены, включающие производные состава или температуры по времени (накопление массы или теплоты). Можно указать на четыре основные причины возникновения нестационарности при осуществлении гетерогенно-каталитических процессов: 1) вынужденные внешние воздействия; 2) неустойчивость нестационарного состояния или автоколебания; 3) случайные помехи, возмущения; 4) изменяющиеся во времени активность и селективность катализатора. Работа в режиме вынужденных внешних воздействий приводит к тому, что при одних и тех же значениях входных параметров реактора, но разных законах их изменения во времени возникают широкие возможности в формировании полей концентрации, температур и составов поверхности катализатора. Поэтому в нестационарном режиме можно добиться более благоприятных условий протекания процесса, чем в стационарно работающем реакторе. Например, производительность и избирательность процесса в нестационарном режиме может оказаться значительно выше, чем в стационарном. Это отличие, возникающее прежде всего из-за нелинейной зависимости скорости реакции от состава реакционной смеси и температуры, в значительной мере зависит от динамических свойств поверхности катализатора Эффективность нестационарного процесса зависит от закона изменения входных параметров - состава реакционной смеси, начальной температуры, нагрузки. Рассмотрим в качестве примера способ проведения обратимой экзотермической реакции в адиабатическом реакторе с искусственно организованной нестационарностъю. Нестационарность достигается периодическим переключением направления подачи реакционной смеси в слой катализатора (рис. 1). Основная идея способа заключается в том, что слой катализатора выполняет не только свою основную функцию - ускорение реакции, но также и является регенератором теплоты. В начале процесса неподвижный слой катализатора разогревают до некоторой температуры, при которой экзотермическая химическая реакция протекает со значительной скоростью иэ следовательно, с высокой скоростью выделения теплоты. Затем в реактор подают реакционную смесь с существенно более низкой входной температурой (рис. 1а). За счет того, что катализатор уже разогрет, реакция протекает с достаточной скоростью, причем по длине слоя катализатора устанавливается определенный температурный профиль, перемещающийся во времени. Рис. 1. Адиабатический каталитический реактор с периодически переключающимися направлениями движениями реакционной смеси. Постепенно температура входного участка катализатора уменьшается, а выходного - остается достаточно высокой или растет. В некоторый момент времени производят переключение направления подачи холодного реагента (рис. 16). Тепловой фронт начинает перемещаться в противоположном направлении. Протекание реакции в нестационарном режиме при низких температурах на входе в слой поддерживается за счет того, что в область высоких температур слоя непрерывно поступает реакционная смесь с непрореагировавшим исходным компонентом, который превращается в этой области с выделением теплоты. Часть теплоты химической реакции сохраняется в реакционном объеме. Развитая поверхность зерен катализатора обеспечивает хороший теплообмен между разогретым катализатором и холодным потоком газа, что доводит температуру последнего до вполне достаточной, чтобы протекала реакция. На рис. 2 приведены профили температур и степеней превращения по длине слоя катализатора, рассчитанные для описанного нестационарного реактора при протекании обратимой экзотермической реакции первого порядка Пусть до пуска реактора температура в слое катализатора одинакова во всей длине и равна То (кривая 1). В момент времени Х1=0 в слой вводят реакционную смесь с температурой Т„. Кривые 2 и 3 передают профили температуры и степеней превращения в последующие моменты времени х2 и х3. Происходит постепенное охлаждение левой части слоя. В момент времени х3 изменяют направление подачи реакционной смеси на противоположное. С этого момента начинает охлаждаться правая часть слоя, ставшая уже входным участком, а область высоких температур перемещается влево (кривые 4 и 5). Температура на выходе из слоя повышается, но благодаря тепловой емкости катализатора это происходит постепенно. Переключение направления подачи смеси осуществляется в момент времени х6, когда температура на выходе из слоя достигает значения Т„ (температуры переключения). Тепловой фронт опять начинает перемещаться слева направо. Рис. 2. Профили температур (а) и степени превращения (б) по длине слоя катализатора , работаюшего в нестационарном режиме, в различные моменты времени: 1-τ1, 2- τ2, 3 - т3 4-τ4, 5 – τ5, 6- τ6
По достижении на выходе из слоя температуры Тп опять производят переключение направления подачи реакционной смеси и т. д. Последующие профили температур и степени превращения будут такими же, как кривые 4, 5 и 6, - идущими то слева направо, то справа налево. В слое устанавливается периодически повторяющийся автотермический режим: количество теплоты, пришедшее с реакционной смесью в течение цикла, плюс количество теплоты, выделенное в течение этого цикла, равно количеству теплоты, отведенному из слоя с выходящей смесью. Как видно из рис. 2, профили температур на выходе из слоя катализатора (кривые 4, 5, 6) понижаются с ростом степени превращения, т.е. ход процесса соответствует оптимальному температурному режиму. Соответствующим выбором температуры переключения, линейной скорости, размера зерна катализатора, температуры на входе можно добиться хорошего приближения к линии оптимальных температур и, как следствие,, получить в одном адиабатическом слое катализатора высокую степень превращения при сохранении высокой производительности. На рис. 3 приведена линия оптимальных температур (кривая 2), проведение по которой экзотермической реакции обеспечивает максимально возможную скорость Рис. 3. Диаграмма Ха - Т для обратимой экзотермической реакции 1 - равновесная кривая; 2 - линия оптимальных температур; рабочая линия осуществляемого в реакторе процесса; 3-с последовательно расположенными споями катализатора и промежуточным отводом теплоты; 4 - в одном слое катализатора при работе в нестационарном режиме. Линия 3 показывает ход процесса при традиционном осуществлении его в стационарном реакторе с последовательно расположенными слоями катализатора и промежуточным отводом теплоты. Теоретически оптимальный режим требует понижения температуры с ростом степени превращения, а в адиабатическом слое, работающем в стационарном режиме, имеет место обратная картина. Кривая 4 отражает режим в одном адиабатическом слое, работающем в нестационарном режиме и обеспечивающем общую степень превращения такую же, как и в стационарном реакторе, отвечающем линии 3.
Содержание С 1. Химические реакторы............................. 3 Классификация реакторов............................ 3 Реактор идеального смешения периодический 5 Реактор идеального вытеснения (РИВ......... 9 Реактор идеального смешения непрерывный 12 Каскад реакторов идеального смешения (К-РИС) 15 Графический метод расчета К-РИС............. 20 Влияние кинетики на выбор типа реактора. 22 Параллельные и последовательные реакции.............. 25 Селективность, выход, степень превращения 26 Влияние температуры на селективность...... 27 Последовательные реакции.......................... 30 Зависимость селективности от степени превращения 31 Химические реакторы с неидеальной структурой потока 33 Модели реакторов с неидеальной структурой потока 36 МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕНОСА СТРУКТУРА ПОТОКА И ПОПЕРЕЧНЫЙ ПЕРЕНОС ПЕРЕНОС ВЕЩЕСТВА И ХИМИЧЕСКАЯ РЕАКЦИЯ Продольное перемешивание И РАСПРЕДЕЛЕНИЕ времениПРЕБЫВАНИя КАСКАД РЕАКТОРОВ СМЕШЕНИЯ ИЗУЧЕНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ времени ПРЕБЫВАНИя
Ячеистая модель............................................ 36 2. Каталитические процессы........................ 37 Сущность и виды катализа........................... 38 Активность катализаторов............................ 40 Селективность (избирательность) катализаторов 41 Гомогенный и гетерогенный катализ........... 42 Важнейшие характеристики катализаторов 45 Аппаратурное оформление каталитических процессов 48 Принципы теплообмена в контактных аппаратах и узлах 50 Полочний контактный аппарат.................... 51 Недостатки фильтрующего слоя катализатора 54 Аппараты с кипящим слоем катализатора... 55 Использование нестационарных режимов для проведения каталитических реакций в оптимальных температурных условиях
Дата добавления: 2015-06-04; Просмотров: 803; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |