ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

Математическая модель реактора с неподвижным слоем

1 2 3 45

Микроэлементом слоя катализатора является объём, занимаемый примерно одним зерном катализатора. Такая элементарная ячейка многократно повторяется в слое, и характер процессов, происходящих в этой ячейке, во многом определяет характер процессов в слое. Если размеры элементарной ячейки много меньше размеров слоя, то элементарные процессы, происходящие в ней, можно усреднить и пользоваться усредненными величинами для каждого элемента слоя. При этом флуктуации значений коэффициентов скоростей переноса по высоте и радиусу слоя относительно их усредненных значений, зависящие от физических свойств среды, могут быть невелики, ими можно пренебречь и коэффициенты можно считать постоянными.

В полной математической модели реактора с неподвижным слоем катализатора учитываются химические процессы и процессы переноса массы и тепла, появляющиеся в результате возникновения градиентов концентраций и температур [1, 4]:

1) конвективный перенос тепла и компонентов;

2) реакционной смеси;

3) процессы переноса вещества и тепла внутри пористой частицы катализатора;

4) адсорбцию реагентов и химическое превращение на внутренней поверхности катализатора, десорбцию продуктов в газовую фазу;

5) массо- и теплообмен между потоком газа и наружной поверхностью частиц катализатора;

6) процессы переноса в продольном и радиальном направлении (тепла по твердым частицам; тепла и вещества по газовой фазе);

7) отвод тепла через стенку (от потока и зерен катализатора).

Степень детализации модели на стадии анализа может быть различной, характер детализации зависит от того, на какие вопросы желательно получить ответ. Для многих среднеэкзотермических процессов массо- и теплообмен между газовым потоком и наружной поверхностью зёрен катализатора достаточно интенсивен, температура и концентрации на внешней поверхности зерна катализатора равны температуре и концентрациям в потоке. В этом случае для описания каталитического процесса в реакторе достаточно использовать квазигомогенную однофазную модель.

Механизм продольного и радиального переноса массы и тепла в слое катализатора, а также механизм переноса массы и тепла внутри гранулы описывается в рамках диффузионной модели с использованием основных законов молекулярного переноса в неподвижной газовой среде – законов Фика и Фурье с эффективными коэффициентами диффузии (или дисперсии, как иногда употребляют в литературе) и теплопроводности.

Рассмотрим каталитический процесс в реакторе при следующих допущениях:

- продольный перенос массы и тепла не оказывает существенного влияния на градиенты концентраций и температур по высоте слоя;

- коэффициенты диффузии и теплопроводности меняются незначительно по радиусу слоя;

- скорость газового потока и теплоёмкость газовой среды постоянна по высоте и сечению реактора.

Реакторы с псевдоожиженным слоем твердых частиц. Псевдоожижение. Многие промышленные химические процессы проводятся в газовой фазе вприсутствии твердых катализаторов. Такой вид катализа называется гетерогенным. Если же катализатор находится в таком же агрегатном состоянии, что и реагирующие вещества, речь идет о гомогенном катализе. На практике чаще всего осуществляются жидкофазные процессы. В настоящее время не менее 20 % всей промышленной химической продукции получают каталитическим путем, причем в более чем 80 % промышленных методов осуществляется гетерогенный катализ. В ГДР для различных промышленных целей применяется около 65 различных катализаторов.

В настоящее время реакцию присоединения воды к этилену вприсутствии твердых катализаторов используют для промышленного получения этилового спирта из непредельных углеводородов, содержащихся в газах крекинга нефти ( попутных газах), а также в коксовых газах.

Каталитические процессы, проводимые в газовой фазе вприсутствии твердого катализатора, находящегося в измельченном состоянии, осуществляются с отводом или подводом тепла в самых различных комбинациях реакторов и регенераторов со взвешенным слоем.

Твердый катализатор представляет собой предварительно прогретую смесь фосфорной кислоты и кизельгура. Кизельгур является не только носителем катализатора, но вступает в химическое взаимодействие с фосфорной кислотой. Хотя в разное время было предложено много различных катализаторов, тем е менее твердый фосфорнокислотный катализатор на кизельгуре превосходит по качеству все другие катализаторы, известные в настоящее время. Твердые катализаторы, применяемые в промышленности, кроме активности, доступности и экономичности их изготовления должны обладать рядом физических свойств, требуемых для их использования в производственных контактных аппаратах. Для придания гранулам прочности порошкообразные вещества спрессовывают или пластифицируют с последующим измельчением полученной массы и ее сушкой; иногда применяется добавка связующих веществ.

Алкилирование бензола. Применяются многие твердые катализаторы, такие как глинистые минералы, цеолиты, окислы металлов и сульфиды. Хотя многие из них чрезвычайно активны, они обычно имеют свойство терять избирательность или стабильность.

Псевдоожижение, превращение слоя зернистого материала под влиянием восходящего газового или жидкостного потока либо иных физико-механических воздействий в систему, твердые частицы которой находятся во взвешенном состоянии, и напоминающую по свойствам жидкость – псевдосжиженный слой. Из-за внешнего сходства с кипящей жидкостью псевдосжиженный слой часто называют кипящим слоем.

Псевдосжиженный слой твердых частиц по некоторым внешним свойствам напоминает обычную жидкость. Он неподвижен, переливается через пороги, в нем выполняется закон Архимеда для погруженных в него макроскопических тел. Псевдоожиженный слой твердых частиц может без нарушения своей структуры перемещаться вдоль оси сосуда или трубопровода как под действием силы тяжести, так и в результате разности плотностей отдельных объемов слоя. Последнее обстоятельство используется для транспорта псевдоожиженного слоя катализатора в вертикальном ( снизу вверх) направлении подобно циркуляции жидкости, кипящей в вертикальных трубах. Однородностьпсевдоожиженного слоя твердых частиц повышается с уменьшением их размера. Однако ниже определенного его предела возрастают силы взаимодействия между частицами, что противодействует упорядоченному расширению слоя, способствует агломерации частиц и каналообразованию. Простейшую псевдоожиженную систему создают в заполненном слоем зернистого материала вертикальном аппарате, через днище к-рого равномерно по сечению вводят инертный ожижающий агент (газ или жидкость). При его небольшой скорости W зернистый слой неподвижен; с ее увеличением высота слоя начинает возрастать (слой расширяется). Когда W достигает критич. значения, при к-ром сила гидравлич. сопротивления слоя восходящему потоку ожижающего агента становится равной весу твердых частиц, слой приобретает текучесть и переходит в псевдоожиженное состояние. Соответствующую линейную скорость ожижающего агента наз. скоростью начала псевдоожижения или его первой критической скоростью Wk [для мелких (размер 0,1 мм) частиц Wk ~ d2, для крупных ( 1 мм) — Wk ~ где d-диаметр частиц].

Последняя уменьшается с увеличением плотности восходящего потока.

Псевдоожиженные системы создают также след. способами: 1) подвергают зернистый слой воздействию мех. вибраций (см. Вибрационная техника); 2) механически перемешивают зернистый слой, напр. вращением заполненного им аппарата; 3) подвергают твердые частицы, обладающие ферромагн. св-вами, воздействию электромагн. поля и др. Эти и иные приемы могут совмещаться с псевдоожижением газом или жидкостью.

В аппаратах, где используетсяпсевдоожиженный слой твердых частиц, условия массообмена близки к условиям идеального смешения для твердой фазы и идеального вытеснения для газовой. Благодаря этому в аппарате устанавливаются одинаковые температура и концентрация реагентов по всему рабочему пространству. Поступающее сырье практически мгновенно смешивается со всей массой, выделяющаяся теплота также почти мгновенно распределяется по всему слою.

Суммарный объем твердых частиц, составляющих неподвижный слой, меньше объема самого слоя, часть которого составляют пустоты между частицами. Величина, характеризующая объем пустот, называется порозностью слоя е:

Порозность монодисперсных шарообразных частиц не зависит от их диаметра и определяется укладкой шариков; теоретически она может изменяться от 0,259 до 0,476. Для полидисперсных шарообразных частиц порозность слоя может быть меньше 0,259 и более 0,476. Движение газа через слой материала характеризуется периодическими сужениями и расширениями зазоров между частицами. Характер движения газа зависит от фракционного состава материала, состояния поверхности частиц и их укладки, порозности слоя и физических параметров газа. Обычно объем газового потока относят ко всему сечению аппарата или к свободному объему слоя материала. В первом случае получаем условную скорость газа и₀, во втором — истинную:

Реакторы смешения. Реакторы смешения – это емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом.

Существуют: периодический реактор идеального смешения и проточный реактор идеального смешения, работающий в стационарном режиме.

Периодический реактор идеального смешения.В периодический реактор все реагенты вводят до начала реакции, а все продукты выводят из него только по окончании процесса. В ходе реакционного цикла никаких веществ в реактор не вводят и из него не выводят, так что общая масса реакционной смеси в реакторе остается постоянной, изменяется лишь ее состав. При составлении математического описания принимают, что реакционная смесь однородна по объему аппарата и ее состав зависит только от времени пребывания в периодическом реакторе.

Периодические реакторы с интенсивным перемешиванием, приближающимся к идеальному смешению, применяют в производствах реактивов, органических красителей, лекарственных препаратов – там, где для достижения достаточной глубины превращения требуется сравнительно длительное время, а объемы производства невелики.

Периодические реакторы смешения часто применяют в микробиологической промышленности для культивирования аэробных микроорганизмов. Процесс культивирования для большинства микроорганизмов длится 48–72 ч, т. е. достаточно длителен. Интенсивное перемешивание в ферментаторе позволяет обеспечить равномерное распределение температуры, что особенно важно в таких процессах, так как даже небольшие локальные разогревы могут привести к гибели микроорганизмов. Изолированность реакционной системы в периодическом реакторе позволяет устранить опасность отравления микроорганизмов случайными примесями, которые могут попасть в аппарат при непрерывной подаче реагентов.

Проточный реактор идеального смешения в стационарном режиме.Если необходимо обеспечить получение большого количества продукта одинакового качества, химический процесс предпочитают проводить в непрерывно действующих реакторах с установившимся режимом. Распространенным видом таких проточных аппаратов являются реакторы смешения. Проточный реактор смешения может работать как в нестационарном режиме (пуск, выход на режим, остановка), так и в стационарном, установившемся режиме

Реакторы специальных типов. Пламенные реакторы.Пламенные реакторы с предварительным смешением газов состоят из камеры смешения, диффузора, в котором заканчивается процесс смешения, и камеры сгорания, в которую равномерно поступают газы из диффузора. Промышленные горелки бывают пламенными и беспламенными.

Пламенные реакторы относительно просты по устройству. Они состоят, как правило, из сопла (форсунки) для подачи исходных реагентов, цилиндрического или слегка расширяющегося книзу корпуса, сборника продуктов и системы обеспыливания отходящих газов.

Расчет пламенных реакторов связан в основном с определением гидродинамических характеристик газового потока (холодного факела) и особенностями гидродинамики, горящего-факела. В промышленных пламенных реакторах сырьем является так называемое вторичное сырье, выгружаемое из системы улавливания фтора, расположенной за пламенным реактором. Экспериментально установлен состав вторичного сырья, при котором не происходит налипания на стенки реактора. Вторичное сырье подают в пламенный реактор шнеком. Температура стенок пламенного реактора регулируется интенсивностью охлаждения.

Однако применение пламенных реакторов в промышленных масштабах оправдано лишь в том случае, если скорость реакции достаточно велика, и для завершения процесса требуется время, не превышающее 0 5 - 1 0 сек.

Режимы гетерогенных химических реакций. Реакции в присутствии твердых катализаторов. Гетерогенные процессы протекают, как правило, на поверхности раздела фаз. При этом гетерогенными могут быть и такие процессы, в которых все исходные реагенты и продукты реакции находятся в одной фазе. У гетерогенных реакций есть два возможных режима протекания: кинетический и диффузионный. Это обусловлено тем, что для таких реакций важны стадии притока реагентов к месту реакции и отвода продуктов. Если реагенты подходят друг к другу быстрее, чем реагируют, то лимитирующей стадией является собственно реакция, и наблюдается кинетический режим.

Если химическая реакция происходит быстрее, чем реагенты успевают подходить друг к другу, то наблюдаемая скорость реакции определяется не ее механизмом, а скоростью диффузии реагентов к месту реакции. Это - диффузионный режим.

Катализаторами называются вещества, изменяющие скорость химических реакций.Химические реакции, протекающие при участии катализаторов, называют каталитическими.

Каталитическое воздействие может быть оказано на большинствохимических реакций. Число катализаторов очень велико, а их каталитическая активность весьма различна.Она определяется изменениемскорости реакции, вызываемым катализатором.Сам катализатор в реакциях не расходуется и в конечные продукты не входит.Твердые катализаторы – это, как правило, высокопористые вещества с развитой внутренней поверхностью, характеризующиеся определенной пористой и кристаллической структурой, активностью, селективностью и рядом других технологических характеристик.

Поверхность катализатора неоднородна. На ней имеются так называемые активныецентры, на которых главным образом и протекают каталитические реакции. Реагирующие вещества адсорбируются наэтих центрах, в результате чего увеличивается концентрация их наповерхности катализатора. А это отчасти приводит к ускорению реакции.Но главной причиной возрастания скорости реакции являетсясильное повышение химической активности адсорбированных молекул.Под действием катализатора у адсорбированных молекул ослабляютсясвязи между атомами и они становятся более реакционноспособными.И в этом случае реакция ускоряется благодаря снижению энергииактивации (в том числе за счет образования поверхностных промежуточных соединений).

Некоторые вещества снижают или полностью уничтожают активность твердого катализатора. Такие вещества называются каталитическимиядами.В качестве примера можно привести соединения мышьяка, ртути, свинца, цианистые соединения, к которым особенно чувствительны платиновые катализаторы.В производственных условияхреагирующие вещества подвергают очистке от каталитических ядов, ауже отравленные катализаторы регенерируют.Однако имеются и такие вещества, которые усиливают действиекатализаторов данной реакции, хотя сами катализаторами не являются.Эти вещества называются промоторами (промотирование платиновых катализаторов добавками железа, алюминия и др.).

Скорость теплопередачи.Необходимым условием теплообмена между телами или веществами является наличие разности температур. Чем больше эта разность, тем интенсивнее происходит теплообмен.

Различают три вида передачи теплоты: а) теплопроводностью, или кондукцией; б) конвекцией, или переносом теплоты движущимися частицами вещества; в) лучеиспусканием, или радиацией.

В большинстве случаев в различных тепловых процессах имеют место одновременно все три вида теплопередачи с преобладанием какого-либо из них.

Передача теплоты теплопроводностью. Такая передача осуществляется при непосредственном соприкосновении каких-либо двух тел или веществ. Теплопередача происходит внутри самого тела или вещества, которое проводит теплоту. В отопительной технике теплопередача теплопроводностью играет большую роль.

Теплопроводность обусловлена различием температур отдельных частей тела, поэтому можно считать, что распространение теплоты неразрывно связано с распределением температуры. Температурное поле, изменяющееся с течением времени, называют неустановившимся, или нестационарным. Если же температурное поле не меняется, его называют установившимся, или стационарным.

Для характеристики процесса распространения теплоты вводят понятие о тепловом потоке. Тепловой поток Q - это количество теплоты W, Дж, проходящей за время т, с, через данную поверхность в направлении нормали к ней:

Тепловой поток измеряют в ваттах (Вт).

Если количество переданной теплоты W отнести к площади поверхности F и времени т, то получим величину

которую называют плотностью теплового потока, или удельным тепловым потоком, и измеряют в Вт/м².

Из закона распространения теплоты путем теплопроводности (закона Фурье) следует:

где W - количество переданной теплоты, Дж; λ - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплопроводности, Вт/(м·К); t_с^l - температура одной поверхности стенки, К; t_с^ll - температура другой поверхности стенки, К; δ - толщина стенки, м; F - площадь поверхности стенки, м²; τ - время, с.

Отсюда

т.е. коэффициент теплопроводности численно равен количеству теплоты, которое проходит в единицу времени (1с) в теле через единицу поверхности (1 м²) при падении температуры на 1 К на 1 м пути теплового потока.

Если обе части уравнения (3) разделить на Ft, to получим

или

где δ/λ - термическое сопротивление теплопроводности.

Таким образом, плотность теплового потока q прямо пропорциональна разности температур на поверхностях стенки и обратно пропорциональна термическому сопротивлению теплопроводности.

Коэффициент теплопроводности λ у различных материалов неодинаков и зависит от их свойств, а у газообразных и жидких веществ - от плотности, влажности, давления и температуры этих веществ. При технических расчетах значения λ выбирают по соответствующим справочным таблицам.

ПЕРЕДАЧА ТЕПЛОТЫ КОНВЕКЦИЕЙ.

Конвекция - это перенос теплоты движущейся массой жидкости или газа из области с одной температурой в область с другой температурой. Конвекция всегда сопровождается теплопроводностью, этот процесс называют конвективным теплообменом.

Теплоотдача конвекцией зависит от большого числа различных факторов:

характера конвекции - конвекции свободной, происходящей под действием внутренних сил, возникающих вследствие разности плотностей нагретых и холодных частиц, или вынужденной, происходящей под действием внешних сил - ветра, насоса, вентилятора;

режима течения жидкости - течения при малых скоростях параллельно-струйчатого характера без перемешивания (ламинарный режим) или течения при больших скоростях (течение неупорядоченное, вихревое), когда в теплоносителе наблюдаются вихри, перемещающие жидкость не только в направлении движения, но и в поперечном направлении (турбулентный режим);

скорости движения теплоносителя;

направления теплового потока (нагревание или охлаждение);

физических свойств теплоносителя - коэффициента теплопроводности, теплоемкости, плотности, вязкости, температурного напора, зависящего от разности температур теплоносителя и поверхности стенок;

площади поверхности стенки F, омываемой теплоносителем;

формы стенки, ее размеров и других факторов.

Расчет процесса конвективного теплообмена производят на основе закона Ньютона, который выражается формулой

где W - количество переданной теплоты, Дж; α - коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, Вт/(м²·К); F - площадь поверхности теплообмена, м²; t и t_c^l - температуры соответственно жидкости и стенки, К; т - время, с.

Коэффициент теплоотдачи а показывает, какое количество теплоты передается от жидкости (греющего тела) к стенке или наоборот в единицу времени через единицу поверхности при разности температур между поверхностью стенки и жидкостью в 1 К.

Разделив обе части уравнения (8) на Ft, получим выражение для плотности теплового потока при теплоотдаче:

или

где 1/α - термическое сопротивление теплоотдачи.

Коэффициент теплоотдачи а определяют опытным или аналитическим методом. Аналитический метод весьма сложен и не обеспечивает нужной точности.

СЛОЖНЫЙ ТЕПЛООБМЕН.

Рассмотренные выше явления передачи теплоты протекают обычно одновременно. Например, когда тело (поверхность нагрева) омывается газом, то наряду с конвективным теплообменом имеется теплообмен излучением (радиацией). В системах отопления, вентиляции и кондиционирования наиболее часто встречающийся случай теплообмена - это передача теплоты от греющей жидкости, нагреваемой среде (воздух, жидкость) через разделительную стенку (рис. 2, а). В этом случае вначале происходит теплоотдача от греющей жидкости со средней температурой t₁ стенке с температурой t_c^l. Далее теплота передается в результате теплопроводности стенки ее противоположной поверхности с температурой t_c^ll и, наконец, эта поверхность стенки отдает теплоту нагреваемой среде со средней температурой t₂. Тогда плотность теплового потока для однослойной стенки с учетом формул (6) и (10) будет

(15)

где α₁ - коэффициент теплоотдачи от греющей жидкости левой (см. рис. 2, а) поверхности стенки; δ - толщина стенки; λ - коэффициент теплопроводности разделительной стенки; α₂ - коэффициент теплоотдачи от правой поверхности стенки, нагреваемой среде.

формула для подсчета количества теплоты, передаваемой через площадь F за время τ, примет следующий вид:

(16)

Величину k называют коэффициентом теплопередачи [измеряется в Вт/(м²·К)], а обратную ему величину - полным термическим сопротивлением теплопередачи R₀ = 1/k = 1/α₁ + δ/λ + 1/α₂.

Если разделительная стенка состоит из нескольких слоев, например из трех (рис. 2, б), то плотность теплового потока с учетом формул (7) и (10) будет

В многочисленных теплообменных устройствах, применяемых в любой области промышленности, в том числе в системах отопления, вентиляции и кондиционирования, основным рабочим процессом является теплообмен между теплоносителями. Такой теплообмен называют теплопередачей.

Сменно-циклические процессы. Каскад реакторов. Сменно-циклические процессы могут проводиться в переключающихся реакторах с неподвижным слоем катализатора, в которых реакция крекинга или дегидрирования чередуется с процессом регенерации катализатора, или в реакторных системах с циркулирующим катализатором. В последнем случае каждая стадия процесса проводится в самостоятельном аппарате - реакторе и регенераторе, между которыми циркулирует катализатор, причем в реакторе процесс идет с поглощением тепла горячего катализатора, а в регенераторе с выделением тепла и нагревом катализатора, который одновременно является теплоносителем.

Сменно-циклические процессы отличаются от других взаимосвязанными стадиями (циклами), которые имеют противоположные тепловые эффекты. Непрерывность движения реагентов и продуктов реакции обеспечивается установкой нескольких аппаратов (реакторов), переключающихся на отдельные стадии (циклы) процесса через определенные промежутки времени. Обычно такое переключение циклов - программное.

К сменно-циклическим процессам относятся каталитический крекинг, дегидрирование бутана и бутилена, каталитическая ароматизация бензинов и другие.

Сменно-циклические процессы характеризуются взаимосвязанными чередующимися циклами, имеющими иногда разные знаки тепловых эффектов.

Группа сменно-циклических процессов весьма специфична по оформлению и условиям работы в целом, но течение реакций в отдельных аппаратах у них аналогично разобранным ранее случаям и укладывается в - рамки основных признаков термодинамической классификации.

В сменно-циклическом процессе стадия реакции и стадия регенерации проводятся в одном и том же аппарате, поэтому естественно стремление найти такой режим, чтобы продолжительности обеих стадий совпадали.

В нефтехимической промышленности широкое применение получили сменно-циклические процессы с твердым катализатором, который одновременно используется в качестве теплоносителя.

Специфичной особенностью катализаторов, применяемых для сменно-циклических процессов, являются образование углистых отложений на них и необходимость их частой регенерации, условия которой находятся в прямой зависимости от свойств и количества кокса, подлежащего выжигу.

Каскады реакторов по своей структуре бывают самыми разнообразными. Они могут состоять из двух или нескольких последовательно включенных однотипных реакторов первой или второй групп, из двух или нескольких реакторов различного типа; конструктивно их можно представить в виде секционного аппарата.

Каскад реакторов используют обычно при необходимости вести процесс с глубокой степенью превращения исходных компонентов или если такое аппаратурное оформление позволяет снизить количество нежелательных побочных продуктов.

Использование каскада реакторов непрерывного действия позволяет понизить концентрации реагентов по ступеням и уменьшить общий объем системы не снижая выхода продукта. В случае бесконечного числа бесконечно малых реакторов непрерывного действия с мешалками, объединенных в каскаде, система становится эквивалентной реактору периодического действия или проточному трубчатому реактору.

Проектирование каскада реакторов полного смешения (или секционного аппарата) сводится к решению двух основных задач: 1) определению числа аппаратов в системе ( числа ступеней), необходимых для достижения заданного выхода; 2) определению оптимального соотношения объемов отдельных аппаратов в каскаде.

В каскаде реакторов изменение концентрации реагирующих веществ носит ступенчатый характер, так как продукт реакции предыдущего реактора ( или секции) является исходным реагирующим веществом в последующем реакторе. Гидродинамический режим работы каскада реакторов является промежуточным и зависит от числа аппаратов, с увеличением числа которых он приближается к режиму полного вытеснения. В каскаде увеличивается время пребывания реагирующих компонентов по сравнению с реактором полного перемешивания, а также возрастает выход целевого компонента.

В каскаде реакторов РИСНД существуют более широкие возможности для регулирования температурного режима с целью интенсификации процесса.

В каскаде реакторов полного перемешивания состав реакционной смеси изменяется при переходе из одного аппарата в другой, а в каждом реакторе концентрационные и температурные поля безградиентны.

В каскаде реакторов непрерывного действия, работающих по принципу идеального смешения, при параллельном их питании жидкостью и газом концентрация газа у будет непрерывно уменьшаться.

Теплообмен в реакторах с неподвижным слоем.При проведении реакции при постоянной температуре (изотермический процесс) степень превращения реагентов зависит от их концентрации и не зависит от температуры, поэтому уравнение материального баланса можно проинтегрировать и получить зависимость степени превращения от времени.
При неизотермическом проведении процесса (адиабатическом или программно регулируемом) приходится решать совместно уравнения материального и теплового баланса с учетом зависимости скорости реакции от температуры и, при необходимости, процесса теплопередачи. Для создания приблизительно изотермических условий в реакторе можно применить несколько способов теплообмена:
- теплообмен при постоянной скорости теплопередачи; когда реактор обогревается топочными газами или пламенем, коэффициент теплопередачи изменяется мало, а температура настолько высока, что изменение температуры реагентов практически не влияет на температурный напор;
- теплообмен при постоянном коэффициенте теплопередачи; например, в аппаратах с мешалкой коэффициент теплопередачи зависит в основном от скорости перемешивания, которую можно держать постоянной, и скорость теплопередачи будет определяться изменением температуры реагентов;
- автоматическое регулирование скорости теплопередачи путем регулирования расхода теплоносителя или изменения температуры его фазового перехода, например за счет давления.

Последний способ, в принципе, является самым лучшим, но не всегда экономически целесообразным.

Типы каталитических реакторов с неподвижным слоемРеакторы с неподвижным слоем катализатора широко распространены при проведении гетерогенных каталитических процессов в различных областях химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности. В связи с разнообразием процессов, реализуемых в реакторах с неподвижным зернистым слоем, разнообразны и конструкции таких аппаратов. Одной из основных проблем, с которой сталкиваются специалисты при разработке каталитических реакторов, является формирование оптимального диапазона температур в слое катализатора. Для этого в реакционном узле предусматривается отвод или подвод тепла (для экзо- и эндотермических процессов соответственно). По способу теплообмена можно выделить три основных типа реакторов с неподвижным слоем, схемы которых представлены на рис. 1:

- адиабатические реакторы (нет теплообмена);

- реакторы с промежуточным отводом (подводом) тепла – многослойные (полочные) аппараты;

- реакторы с непрерывным отводом (подводом) тепла – трубчатые аппараты.

Неподвижный слой катализатора является неоднородной системой, состоящей из двух фаз: твердых, как правило, пористых частиц катализатора и промежутков между ними, заполненных движущимся газом. Кроме того, неоднородность неподвижного слоя катализатора может быть вызвана неоднородностью упаковки зерен в слое, которая носит случайный характер, а также более рыхлой упаковкой у стенок. Это приводит к тому, что поток может распределяться неравномерно. Для отношения размеров слоя и зерна катализатора больше 10 (это условие всегда выполняется в аппаратах промышленного масштаба), влиянием стенок можно пренебречь и пр имические реакторы можно охлаждать или нагревать различными методами. Выбор способа теплообмена в реакционном аппарате зависит прежде всего от температурных условий ведения химического процесса, а также от физических, теплофизических и химических свойств теплоносителя. Наиболее высокая температура в реакторах с твердой фазой будет в центральной части аппарата. Теплообмен при наличии охлаждающих стенок может осуществляться следующим образом:

1) между внутренней областью частицы (порами) и ее наружной поверхностью;

2) между наружной поверхностью катализатора и потоком газа;

3) по слою катализатора между соприкасающимися зернами через наружные охлаждаемые стенки аппарата.

При хорошей теплопроводности металла зерен катализатора его температура остается постоянной. При слишком малых скоростях потока тепло из реакционных зон отводится в основном движущимся газом. В случае плохой теплопроводности зерен в реакторе появляется градиент температур.

Различают два основных метода охлаждения или нагревания в реакторе: прямой и косвенный обмен теплом. В случае прямого теплообмена передача тепла в реакторе осуществляется при непосредственном соприкосновении реакционной смеси и теплоносителя, как например, теплообмен происходит за счет циркуляции теплоносителя в реакционном объеме.

При косвенном теплообмене в реакторе теплоноситель и реагирующие вещества разделены между собою непроницаемой поверхностью, через которую происходит теплообмен.

В зависимости от температуры скорость каталитических реакций имеет максимум, который может изменяться по следующим причинам:

1. Реакция на поверхности катализатора обратима; скорость обратной реакции при определенной температуре значительно возрастает, а общая скорость начинает понижаться.

2. Адсорбция реагентов обратима; при очень большой температуре скорость десорбции реагентов становится более значительной, чем скорость адсорбции, а общая скорость процесса уменьшается.

Таким образом, для каждой степени превращения можно определить температуру, при которой общая скорость реакции будет максимальной. Такая температура называется оптимальной.

Важной задачей при проведении процессов в каталитических реакторах является обеспечение постоянства оптимальных температур. Обычно это осуществляется следующим образом:(рисунок 206).

1) разделением реакционного пространства на большое число адиабатических секций, в которые поступают реагенты (и продукты реакции) при оптимальной рабочей температуре, поддерживаемой через стенку реактора путем теплообмена;

2) введение в реакционное пространство инертного теплоносителя (пар, азот, твердое тело и т.д.);

3) введением реагентов в различных точках по длине реакционного пространства;

4) размещением катализатора в трубах таким образом, чтобы поток теплоносителя был перпендикулярен к потоку реагентов;

5) использованием катализатора во взвешенном слое;

6) действием адиабатического реактора в регенеративном цикле.

Последний из перечисленных способов применяется при дегидрогенизации бутана в бутадиен. Например, в первой фазе по эндотермической реакции получают углерод, который оседает на катализаторе. Во второй фазе происходит окисление этого углерода путем введения соответствующего агента, и температура в реакционном пространстве повышается. Этот метод тем эффективней, чем короче периоды работы. именять статистический подход к описанию процесса в слое.

Шахтные и подовые печи. Многоподовый реактор. Примерами процессов, проводимых в аппаратах шахтного типа является дегидрирование этилбензола в стирол, прямая гидратация этилена и дегидрирование дивинилбутиленов. Тепловые эффекты при этом велики, но осуществляться такие реакции могут в адиабатических условиях.

Аппарат состоит из корпуса 4 с внутренней футуровкой 5, устройство для смешения этилбензола с водяным паром 2, распределителя 3 реакционной смеси по сечению аппарата. Для замера температуры в слой катализатора 6 вмонтированы гильзы для термопар 7. Для выравнивания потока реагентов служат слои инертной насадки. Вывод продукта производится через конусный перфорированный элемент 8. Дегидрирование этилбензола осуществляется при 6000С. Реакция идет с увеличением объема, поэтому проводить ее следовало бы под вакуумом. Однако, это обуславливает значительное усложнение конструкций аппарата и затрудняет ведение процесса. В результате вместо вакуума используется разбавление водяным паром. При этом снижается парциальное давление реагента, т.е. достигается тот же эффект, что и при применении вакуума.

1 - инертная насадка; 2 - смеситель газов; 3 - распределитель газов; 4 - корпус; 5 - футеровка; 6 - слой катализатора; 7 - гильзы для термопар.

Кроме того, разбавление водяным паром связано с тем, что нагрев паром этилбензола до температуры реакции (600 0С) недопустим, и эта температура достигается смешением с перегретым водяным паром. Реакция идет с поглощением тепла в адиабатических условиях, поэтому температура реагентов в ходе реакции уменьшается. Если температура уменьшается на 60 0С, то смесь поступает в аппарат с перегревом на 300С и рабочая температура процесса равна

Такого типа аппараты применяются для гидрирования сернистой нефти, для синтеза формальдегида и т.д

Эти печи предназначены главным образом для проведения высокотемпературных процессов (шахтные—при температуре 1400 °С, подовые—при температуре до 2200 °С). Как правило, печи имеют стальной кожух, футерованный огнеупорами, толщина футеровки достигает иногда 1 м. [c.366]

Шахтные обжиговые печи применяются для осуществления процессов, в которых обжигаемый материал не подвергается расплавлению или размягчению (например, при обжиге известняка или доломита, хотя для проведения этих процессов используют и вращающиеся обжиговые печи). Шахтные печи являются предшественниками современных аппаратов с движущимся слоем, таких, как каталитические реакторы и нагреватели с твердым теплоносителем. [c.366]

На рис. Х1-12 представлена непрерывнодействующая обжиговая печь для получения извести. Такие печи имеют диаметр 2,4—4,6 м и высоту 15—24 м. Максимальные температуры при обжиге известняка составляют около 1200 °С, хотя разложение хорошо идет и при 1000 °С. В качестве топлива может быть применен кокс, который подается вместе с известняком (если в образующейся извести допускается примесь золы), генераторный или какой-либо другой газ или мазут. Нагрузка равна 12,8—24 кг СаО в час на 1 Л1 объема печи или 220—490 кг СаО в час на 1 поперечного сечения печи, в зависимости от размеров и степени модернизации печи, способа подачи и сжигания топлива и размеров кусков известняка, которые обычно составляют от 100 до 250 мм.

Вращающаяся печь представляет собой длинный цилиндр с отнощением длины к диаметру от 10 до 20. Печи общего назначения имеют длину 30—40 м, но цементные печи могут быть много больше, например встречаются цементные печи диаметром 3,7 м и длиной 144 м. Наклон к горизонту от 2 до 5° достаточен для продвижения твердого вещества вдоль печи. Скорость вращения составляет 0,25—2 об1мин. Как правило, в такой печи могут перерабатываться только мелкие порошки или куски размером до 25 мм.

Факторы, влияющие на выбор нагрузки размеры кусков, содержание влаги в поступающем сырье, теплотворная способность топлива и наличие предварительного нагрева воздушного дутья илн поступающего сырья. [c.368]

Реакции, при протекании которых тве ц возможно частичное плавление или о ериал спекание, непрерывно осуществляются в многоподовых печах, один нз типов которых представлен на рис. Х1-15. [c.369]

Процессы, требующие очень высокой температуры (например, производство стали и других металлов или стекла), осуществляются в одноподовых печах часто с тепловыми регенераторами для экономии топлива. Эти регенераторы могут состоять из двух рядов камер, наполненных решетчатой кирпичной кладкой. Регенераторы используются попеременно для поглощения тепла отходящих газов и для предварительного подогрева воздуха и газообразного топлива. На рис. XI-16 схематически изображены печь Сименса—Мартена и рекуператоры. Производительность такой печи с подом шириной i м и длиной 12 ж составляет 10 /п1ч стали при времени пребывания массы 10 ч. Объем ванны печи около 142 лг , общий объем регенераторов примерно 708 м .

1 2 3 45