Реактор с неподвижным слоем катализатора и одной текучей фазой

2. Реакторы с неподвижным, движущимся и

псевдоожиженным слоем

Введение

Рассматриваются реакторы с твердым катализатором и одной текучей фазой.

Реакторы с неподвижным слоем представляют собой объемы (обычно вертикальные цилиндры, содержащие неподвижный слой частиц катализатора, через который прокачивается поток реактантов и продуктов в виде газа или жидкости).

К наиболее распространенным процессам, осуществляемым в реакторах с неподвижным слоем, относятся:

§  Окисление SO₂ в SO₃.

§  Производства метанола из синтез-газа CO+2H₂.

§  Синтез аммиака N₂+3H₂.

§  Окисление ортоксилола и нафталина во фталевый ангидрид.

В реакторе с движущимся слоем плотный слой частиц может непрерывно или периодически перемещаться. Применяется для осуществления процессов:

§  Каталитического крекинга газообразных фракций нефти

§  Регенеративного риформинга бензина.

Псевдоожиженный слой:

§  Каталитический крекинг нефтяных фракций.

Как будет показано, реакторы с неподвижным и движущимся слоем близки во многом к реакторам идеального вытеснения, реактор с псевдоожиженным слоем – к модели реактора с перемешиванием.

2.1. Реактор с неподвижным слоем катализатора и одной текучей фазой

2.1.1. Баланс массы

Баланс массы и энтальпии для неподвижного слоя можно записать аналогично тому, как это делалось в случае однофазного реактора, рассматривая элементарный объем слоя. В случае гетерогенного катализатора скорость реакции обычно выражается на единицу поверхности или массы катализатора. Скорость реакции можно также отнести к единице объема слоя, однако при этом необходимо учитывать возможные внутренние или внешние диффузионные ограничения. Рассмотрим случай реакции 1-го порядка, Т=const, Р= const,         V= const, реагенты и продукты – в газовой фазе, стационарные условия. Введем обозначения в соответствии с рис. 2.1.

В предложении режима идеального вытеснения материальный баланс для объема dV=Sdz для вещества А_i можно записать в виде:

где

Q    – объемный расход газа (предполагается постоянным по высоте слоя)

C_iz  – концентрация вещества A_i в газе на уровне z

A_S  – внешняя поверхность гранулы на единицу объема слоя

S    – площадь сечения слоя

z    – расстояние от входа реактора

K_i  – кажущаяся константа скорости исчезновения или образования компонента A_i, учитывающая химическую кинетику, внутреннюю и внешнюю диффузию в соответствии с (1.67).

Рис. 2.1 Реактор с неподвижным слоем.

Материальный баланс для элементарного слоя толщиной dz.

Материальный баланс вещества А₁ в соответствии с (2.1) можно записать в виде:

Интегрируя 2.1а, получим

где

C_i0 – концентрация A_i на входе

C_iH – концентрация на выходе.

В (2.2) входит параметр V/Q, который имеет размерность времени, иногда некорректно называемый временем контакта.

Понятно, что для реакций не 1-го порядка, неизохорических, неизобарических и неизотермических решения, дающие конверсию при заданном объеме или объеме слоя при заданной конверсии, необходимо получать численно.

Неизотермический случай. В этом случае уравнение (2.1а) необходимо решать совместно с дифференциальным уравнением баланса энтальпии:

если Q_V=Q:

Здесь q – тепло, подводимое в систему в единицу объема слоя в единицу времени.

Рассмотренные уравнения позволяют определить объем или массу слоя, но не форму слоя. Вопрос о форме слоя будет рассмотрен ниже.

2.1.2. Влияние перемешивания потока

Если объем или масса слоя определены, то могут быть определены и размеры реактора (высота и диаметр). Это необходимо делать, однако, рассматривая одновременно вопрос о структуре потока. Режим идеального вытеснения желателен для исключения обратного перемешивания и «мертвых» зон. В случае неподвижного слоя с одной текучей фазой это может быть довольно легко достигнуто.

Если необходимо, перемешивание можно учесть на основе концепции турбулентной диффузии. В цилиндрических координатах при наличии радиальной и турбулентной диффузии уравнение баланса массы для 1-го компонента выглядит следующим образом:

где

                               - наблюдаемая скорость образования или исчезновения компонента A_i

в моль/(кг×с),

                          - конвективный член,

                       - член, отражающий наличие осевой диффузии,

   - составляющая, связанная с турбулентной диффузией,

                               - нестационарность процесса.

Граничные условия:

(а) На входе в реактор (z = 0):

разрыв концентрации на входе в реактор, особенно заметно при больших D_A.

С_i0 – концентрация перед входом в реактор

(C_i)_z – концентрация сразу после входа в реактор.

(б) На выходе из реактора (z = L):

(в) Из соображений симметрии на оси реактора (r = 0):

(непроницаемая оценка).

(г) На радиальной границе реактора (r = R):