Реализация нестационарности в технологических схемах

Выше были рассмотрены основные свойства теплового фронта в неподвижном слое катализатора. В частности, показано, что время формирования теплового поля, близкого по своим характеристикам к тепловому фронту в слое, существенно зависит от начальных условий.

6.17). Периодические режимы в данной схеме достигаются за счет циклического изменения направления фильтрации реакционной смеси в слое катализатора. Направление фильтрации на рисунке показано сплошными стрелками. Задвижки 7 открыты, а задвижки 2 закрыты. Входящая смесь с низкой начальной температурой нагревается в слое катализатора до температуры начала реакции, в результате по слою распространяется тепловая волна а. Через время, равное длительности полуцикла (/_с/2)> тепловая волна а займет положение Д2- В момент времени, соответствующий /_с/2, задвижки 1 и 2 быстро и одновременно переключают на противоположные. Тогда зона реакции будет двигаться в противоположном направлении. Через время t_c/2 фронт а2 займет положение а, после чего повторяется полный цикл. Температура на выходе из слоя в течение полуцикла возрастает от входной Г_вх до некоторой величины 7_ВЫХ.

Рис. 6.17. Принципиальная технологическая схема нестационарного процесса с периодическим изменением направления ввода и вывода реакционной смеси:

1,2- клапаны; А — слой катализатора; Д|, а} — тепловые волны в слое Рассмотрим работу нескольких возможных технологических схем, по которым реализуются нестационарные режимы, осуществляемые в тепловых волнах.

Схема 1. «Качалка» (рис.

Схема 2. Недостатком схемы 1 является то, что при медленном срабатывании или неплотном закрытии арматуры возникает проскок исходной реакционной смеси мимо слоя катализатора. Это может снижать среднюю за цикл степень превращения на выходе из реактора. Такой недостаток удается преодолеть, расположив вслед за основным слоем катализатора Л дополнительный слой Ai (рис. 6.18), на котором будет превращаться непрореагировавшая в слое А часть исходных веществ.

Схема работает следующим образом. После подачи холодной реакционной смеси на предварительно нагретый слой катализатора 04i) возникает движущаяся тепловая волна. При ее движении в направлении фильтрации будет происходить вытеснение тепла из слоя А в слой А2. Таким образом, через некоторое время часть слоя А2 будет нагрета (волна Ь₉ см. рис. 6.18, а). Волна в слое А занимает положение а. В это время происходит изменение направления фильтрации реакционной смеси в слое.

Рис. 6.18. Принципиальная технологическая схема нестационарного процесса в слое (А) с периодически изменяющимся направлением фильтрации реакционной смеси и в дополнительном слое катализатора (А2):

1−2 - заслонки; а. 02,² « тепловые волны; а, б, в - положение тепловых волн в различные моменты времени.

Рис. 6.19. Принципиальная технологическая схема нестационарного процесса с попеременным изменением ввода реакционной смеси в одну из двух одинаковых частей слоя катализатора;

1−6 - заслонки; А, Aj — слои катализатора; а, 02 — тепловые волны.

А. Во время переключения заслонки 1 и 2 какое-то время остаются открытыми, и исходная реакционная смесь, минуя слой у4|, попадает на предварительно нагретый слой А₂. За это время волна Ь сместится в слое >42 Д° положения &2 (^см— Р^ис* 6.18, б). После того как переключение завершено, реакционная смесь практически полностью подается в слой А. Тепловой фронт а будет перемещаться в направлении фильтрации до положения а₂ (см. рис. 6.18, в). При этом слой Л₂ будет нагреваться. После этого происходит переключение газовых потоков — реакционная смесь допревращается в слое >42, и цикл повторяется. Заметим, что второй слой катализатора >42 работает в условиях периодически изменяющихся входной температуры, концентрации и нагрузки.

Схема 3 — «Тор» приведена на рис. 6.19. По этой схеме реакционная смесь подается в зону контакта в одном направлении. В слое катализатора, разделенном на две одинаковые части А и.

Рис. 6.20. Принципиальная технологическая схема реактора, работающего при переменной температуре реакционной смеси перед основным слоем катализатора А}.

А — слой, создающий переменную входную температуру перед А2; а|, 02. 6, Ь} - тепловые волны в слоях; 1−3 — заслонки; а и б — положение тепловых волн в разные моменты времени.

Ai, тепловая волна реакции периодически перемещается из положения а в 02 и далее из a2 в а. Волна перемещается с помощью попеременного переключения задвижек 1−6. При этом прореагировавшую смесь выводят из слоя катализатора в направлении, показанном стрелками. Например, на часть катализатора Л, предварительно нагретого до высокой температуры, подают исходную реакционную смесь с низкой температурой. При этом задвижки /, 3, 5 открыты, а задвижки 2, 4 и 6 закрыты. Возникшая тепловая волна начнет перемещаться из положения а в положение aЧерез интервал времени полуцикла реакционная зона с высокой температурой перемещается в слой А. В этот момент одновременно начинают закрывать задвижки 1 и 3, а задвижку 2 открывать и подавать исходную реакционную смесь с низкой температурой в часть слоя А2- После полного закрытия задвижек /, 3 и открытия задвижки 2 начинают одновременно срабатывать задвижки 4−6 (5 закрывается, 4_У 6 открываются). При этом прореагировавшую реакционную смесь из части слоя А2 подают в часть А и выводят из слоя (штриховые линии). При последовательном переключении задвижек 1−6 осуществляется непрерывное движение тепловой волны по схеме а — а2— о — 02 ^{и т}— Д- ^в одном направлении. Места ввода и вывода реакционной смеси меняются. По этой схеме тепловая волна непрерывно перемещается как бы по замкнутому тору.

Схема 4 — «Спичка» приведена на рис. 6.20. По этой схеме реакционный процесс ведут в слое катализатора, разделенном на две неравные части А и А2. Часть слоя А служит для перио;

Рис. 6.21. Принципиальная технологическая схема нестационарного процесса в аппарате с разделением слоя катализатора на три части:

а — подача реакционной смеси через заслонку 2, б — подача смеси через заслонку /; А, Ai, Аз — слои катализатора, а, b, С|, h — тепловые волны дического нагрева слоя Ai- Например, на предварительно нагретый до достаточно высокой температуры слой катализатора А и /*2 подается исходная реакционная смесь с низкой входной температурой. Направления фильтрации реакционной смеси показаны стрелками (см. рис. 6.20, а). При этом в каждой части слоя А и Ai возникают две тепловые волны а и Ь₉ которые перемещаются в направлениях фильтрации смеси. Задвижка / закрыта, задвижка 3 открыта, а задвижка 2 открыта не полностью, регулируя скорость фильтрации и, следовательно, скорость движения тепловой волны в слое А. Через некоторое время волны займут положение ai и (см. рис. 6.20, б), после чего задвижка 7 открывается, и исходная реакционная смесь последовательно проходит через слои А и А^ в направлении, указанном штриховыми стрелками. Через некоторое время тепловая волна bi займет положение, показанное на рис. 6.20, а. В этот момент начинается подача реакционной смеси между слоями А и Аг, что обеспечивается переключением задвижек 1−3. При этом задвижка 1 закрывается, а 3 открыта, задвижка 2 открыта не полностью, регулируя скорость фильтрации смеси (а следовательно, и скорость движения волны Ь) в слое А. Это приводит к образованию двух фронтов а и Ь. Цикл повторяется. Таким образом, слой А служит для периодического нагрева части слоя >42, на котором затем происходит превращение исходной реакционной смеси.

Схема 5 — «Крылья» приведена на рис. 6.21. Слой катализатора в схеме разделен на три части. Нестационарные режимы реализуются путем поочередной подачи реакционной смеси с низкой температурой через заслонки 7 и 2.

Пуск реактора по данной схеме производится следующим образом. На предварительно разогретый слой катализатора исходная реакционная смесь с низкой входной температурой подается через заслонку 2 (заслонка 1 закрыта). В центральной части слоя (А[) и в крайней части (А₂) возникают тепловые волны (й| и Ь соответственно), которые движутся в направлении фильтрации реакционной смеси. Направления газовых потоков в частях слоя указаны непрерывными стрелками (см. рис. 6.21, а). Через некоторое время (время полуцикла) тепловая волна а займет положение а₂, ^а волна Ь — положение Ь₂ (см. рис. 6.21, б). В это время заслонка 1 открывается, а заслонка 2 закрывается. Это приводит к разделению теплового пика а₂ на две тепловые волны. Одна из них будет распространяться по центральной части слоя (А), а вторая — по крайней части (слой А₂). Направления распространения тепловых волн совпадают с направлениями фильтрации смеси в слоях и показаны стрелками (см. рис. 6.21,.

б). Через время полуцикла тепловая волна а₂ займет вновь положение а (см. рис. 6.21, а). После этого цикл повторяется. При такой организации процесса центральная часть слоя работает в режиме переменных направлений фильтрации реакционной смеси, а тепло, выделяющееся в этой части, служит для попеременного нагрева слоев А₂ и А₂. Крайние части слоя работают периодически в режиме нагрева или формирования и вытеснения тепловой волны. Через несколько переключений во всех частях слоя устанавливаются периодически повторяющиеся температурные и концентрационные поля.

На этом ограничимся рассмотрением различных технологических схем, реализующих нестационарный процесс в режиме формирующегося и движущегося теплового фронта (волны). Рассмотрим более подробно на примере трехслойной технологической схемы результаты численного анализа ее поведения и экспериментальные результаты.