Гетерогенные каталитические реакторы. Влияние диффузии внутри пор на селективность. Дезактивация катализатора

Расчет и конструкции химических реакторов

Лекция №1

1.  Гетерогенные каталитические реакторы

Введение

Химические процессы, протекающие с применением гетерогенных катализаторов, имеют чрезвычайно широкое распространение в химической технологии. Некоторые примеры таких процессов вы уже знаете из курса общей химической технологии: синтез аммиака, окисление аммиака, конверсия углеводородов с получением   синтез-газа, синтез метанола, окисление SO₂ в SO₃, процессы нефтепереработки и др.

В первой части нашего курса, который вы прослушали год назад мы рассмотрели вопрос описания скорости химической реакции на поверхности твердого катализатора. В зависимости от особенностей конкретной реакции, ее скорость может зависеть от скоростей стадий сорбции и десорбции реагентов и продуктов, скоростей химических взаимодействий на поверхности и т.д. В зависимости от того, какая стадия является лимитирующей, выражение для суммарной скорости может быть разным.

Если скорость реакции определяется как число молей в единицу времени на единице поверхности, то константу скорости реакции обозначают K_S. На практике скорость реакции удобно определять не как число молей, превратившихся на единице поверхности, а на единице массы катализатора. В этом случае константу скорости реакции обозначают K_m.

Очевидно, что

                                                    (1.1)

где S_р – площадь поверхности на единицу массы катализатора.

При этом предполагается, что любая точка поверхности одинаково доступна для реагентов. Это соответствует ситуации, когда поры катализатора велики или частицы катализатора очень малы. В реальности такая ситуация реализуется редко. В общем случае, величина доступной поверхности зависит от диаметра и средней длины пор, диаметра гранул.

Этот вопрос требует особого рассмотрения.

Далее мы рассмотрим проблему протекания реакции в порах отдельной гранулы катализатора, а затем обобщим результаты на           системы гранул всего реактора.

1.1.  Разновидности гетерогенных каталитических систем

В реакторе отдельные гранулы катализатора объединяются в систему, которая может существовать в виде

·  неподвижного слоя (fixed bed), если гранулы неподвижны, а поток газа (или жидкости) фильтруется между гранулами;

·  движущегося слоя, когда гранулы движутся под действием силы тяжести в составе плотного слоя;

·  псевдоожиженного слоя, когда гранулы псевдоожижаются потоком газа. При этом они находятся в реакторе во взвешенном состоянии (в виде суспензии);

·   слоя в режиме уноса частиц, когда поток частиц и газа (жидкости) движутся в одном направлении, частицы разрежены

·  slury (дождя) частиц, вводимых в               флюид

·  виброожиженного слоя и др.

1.2.  Параметры, характеризующие зерно катализатора

·  материал гранулы. Характеризуется плотностью r (кг/м³). Для катализатора на носителе плотность обычно соответствует плотности носителя.

·  форма и размер. Для сферических частиц – диаметр сферы. Для несферических, или разного размера – средний диаметр

                                                                   (1.2)

где V -  суммарный объем частиц представительного образца

S_ex – суммарная внешняя поверхность представительного образца

можно определить на основе кумулятивной функции распределения частиц по размерам    a_i = f(t_i), где а_i – отношение числа частиц меньше или равных t_i к общему числу частиц.

Можно показать, что

                                                            (1.3)

где Dа_i = f(t_i-1)- f(t_i),  t_i = (t_i-1+ t_i)/2                                                                                        (1.4)

d можно определить по распределению частиц по массе x_i = f(t_i), где x_i – отношение массы частиц, размеры которых меньше или равны t_i, к общей массе частиц.

В этом случае

,                                                                               (1.5)

где

Функции распределения можно определить на основе рассеивания.

·  удельная поверхность (м²/кг). Чем больше удельная поверхность, тем больше активность катализатора. Удельная поверхность зависит от текстуры катализатора (гранулы), т.е. от формы и числа пор.

·  пористость гранулы                                                                                    (1.6)

где r_p- кажущаяся плотность гранулы

r_s – истиная плотность (плотность материала)

Если поры характеризовать средним радиусом  и длиной , то объем пор

                                                           (1.9)

·  механическая прочность гранул характеризуется усилием, при котором происходит разрушение гранул одна о другую при сдавливании. Размерность для сфер, таблеток и цилиндров разная: Н, н/м² и н/м, соответственно.

1.3.  Слой катализатора

Структура (состояние) слоя характеризуется

·  массой катализатора на единицу объема реактора r_с (кг/м³)

·  порозностью

·  внешней удельной поверхностью гранул А_S = (m²/m³)

Очевидно        

                                                           (1.10)

·  углом естественного откоса

 

·   механической прочностью слоя (н/м²)

1.4.  Диффузия внутри гранулы