Реактор с неподвижным слоем катализатора и одной текучей фазой, страница 2

Используя безразмерную запись, вводя характерную длину  (средний диаметр гранулы) можно получить следующие безразмерные переменные:

(а) Осевое массовое число Пекле:

(б) Радиальное массовое число Пекле:

(с) Две безразмерных длины

n – отношение высоты реактора к диаметру гранулы,

m – отношение диаметра реактора к диаметру гранулы.

На основе литературных данных, устанавливающих связь между Pe и Re (Pe=f(Re)), где

можно определить скорость потока и решить вопрос о размерах реактора. Для этого необходимо знать D_A и D_R. Оценки показывают, что D_A >> D_R. Это означает, что если на входе плохое (неравномерное) распределение реактантов, то нормальное распределение по сечению слоя не гарантируется.

Условие полного вытеснения. Более простой критерий для рассматриваемого случая можно получить из следующих соображений.

Ранее было показано, что при полном вытеснении безразмерное число  может быть меньше 10^-2. Тогда, используя предельную величину осевого массового числа Пекле , можно видеть, что отношения длины реактора к диаметру гранулы >50:

                 (условие полного вытеснения)

Это условие выполняется в большинстве промышленных реакторов (за исключением реакторов с каталитическими решетками, например для синтеза аммиака).

Что касается радиального распределения, то должны быть приняты специальные меры при введении реактантов в слой. Так как радиальная диффузия низка то, чтобы получить равномерное распределение по радиусу, необходимо хорошее предварительное перемешивание.

Для исключения байпосирования, необходим определенный уровень падения давления в слое.

Падение давления должно быть порядка 2500 Па/м. Это обычно достигается без принятия специальных мер. Отношение n/m (длина/диаметр) >0,5 обычно рекомендуется, также как и m > 10.

2.1.3. Достоверность выбранного критерия

Не очевидно, что выбранные критерии всегда являются определяющими. В частности:

1.  Если изначально реактанты тщательно перемешаны, то слой катализатора ведет себя как превосходный распределитель.

2.  Существуют направления в разработке реакторов некоторого типа (дожигание, каталитический риформинг) состоящие в разработке оборудования с низким перепадом давления. Для этого все больше используются слои с радиальной подачей газа. Некоторые такие реакторы имеют слой толщиной только от 20 до 30 см, несколько метров высотой, а перепад давления составляет от 1000 до 2000 Па. Размер частиц – 2-3 мм. При этом выполняется. Этот слой обеспечивает высокую конверсию на выходе (выше 99%).  Это показывает, что характеристики потока вполне удовлетворительны. В этом случае поток на входе и выходе должен устанавливаться весьма осторожно: падение давления в этих зонах не должны вносить возмущения в поток внутри слоя.

3.  Слой с ионообменной смолой может иметь H/d<0,5. Что обеспечивается за счет того, что жидкость вводится через распределители правильно (равномерно) расположенные по всему сечению (сита, например).

Таким образом, проблема потока не является критической при разработке реакторов с неподвижным слоем, в случае однофазного потока. Режим идеального вытеснения может быть обеспечен благодаря предварительному перемешиванию и правильно спроектированному распределителю потока. Важным специфическим случаем является случай, когда необходим теплообмен со стенкой. Это приводит к возникновению радиального температурного градиента. Градиент обусловливает различную скорость реакции по радиусу реактора. Это является причиной радиального концентрационного градиента. Этот фактор часто и определяет размеры слоя в случае термических реакций.

2.1.4. Влияние различных параметров на изотермическую и изохорическую

 реакцию 1-го порядка

2.1.4.1. Определение влияния осевой дисперсии, на основе введения эффективности e_D