Технологическая схема «Крылья»

Математическое моделирование технологической схемы осуществлялось на основе численного анализа математического описания:

где Т, Т_к — температура газа и катализатора соответственно; х, х_к — степень превращения в газовой фазе и на зерне катализатора соответственно; - адиабатический разогрев смеси; - температура смеси на входе в реактор;

Расчеты были выполнены при следующих значениях параметров: у' = 400; а = р = 35 с^-*; К (Т_оп) = 10 с" ¹; Т_оп = 400 °C; Г = 5 • 10'³ с.

Существенное различие между условиями работы центральной и крайних частей заключается в том, что высокотемпературные режимы в слое 1 обеспечиваются «запиранием» в нем части тепла, а в слоях II и III — за счет периодического нагрева начального участка до высоких температур (см. рис. 6.21).

При расчетах прежде всего решалась задача определения диапазона адиабатических разогревов, в котором возможно реализовать устойчивые высокотемпературные режимы во всех частях слоя. Численные расчеты, представленные на рис. 6.22, позволяют оценить этот диапазон. При увеличении адиабатического разогрева степень превращения. в центральной части слоя практически не изменяется (линия 1), но заметно возрастает в крайних частях слоя II и III (линия 3). Это обусловлено ростом количества высокопотенциального тепла, периодически вытесняемого из центральной части в слои II и III. При адиабатических разогревах (75н-90 °С) в крайних частях удается реализовать высокотемпературные периодические режимы. Можно добиться сокращения времени формирования тепловой волны в крайних частях слоя, вытесняя из центральной части максимальное количество тепла. Одновременно это позволяет уменьшить и объемы катализатора, но возникает опасность в центральной части свести на нет формирование тепловых волн.

Для выбранных значений параметров при малых временах полуцикла температура на выходе из центрального слоя всегда остается достаточно низкой, и поэтому в крайних слоях через несколько переключений устанавливается низкотемпературный режим. Эффективно работает лишь центральная часть. В такой ситуации средняя за цикл степень превращения на выходе из реактора близка к 50%. При 28 мин < t_c $ 42 мин в крайних часРис. 6.22. Зависимость средней (по времени) степени превращения х от величины адиабатического разогрева смеси ДГ_М:

/ - на выходе из слоя I; 2 — средняя на выходе из аппарата; 3 — на выходе из слоя IP (II"); ?=32 700 Дж/моль тях слоя удается организовать высокотемпературный периодический режим.

Г}ри времени полуцикла больше 42 мин происходит затухание процесса в центральной части слоя, и, как следствие, во всем реакторе устанавливается температура, равная входной. В интервале t_c = 28−42 мин реализуются высокотемпературные режимы во всех частях слоя. Средняя степень превращения незначительно зависит от времени полуцикла.

Помимо указанных факторов существенное влияние на среднюю степень превращения оказывает скорость фильтрации реакционной смеси (при заданном неизменном времени контакта т_к). Увеличение скорости фильтрации приводит к росту интенсивности процессов обмена между поверхностью зерен катализатора и газовым потоком. Это, в свою очередь, вызывает увеличение максимальной температуры в тепловой волне, и, кроме того, повышается теплосодержание слоя. В результате этого удается увеличить и количество высокопотенциального тепла, передаваемого из центральной части слоя в крайние. Повышается степень превращения в крайних частях слоя, растет средняя степень превращения в аппарате. Расчеты показали, что увеличение скорости фильтрации от 0,2 до 0,7 м/с (суммарное время контакта в аппарате 3,9 с) приводит к увеличению степени превращения с 75 до 97%. При Д7^ = 90 °C максимальная температура возрастает с 340 до 440 °C.

При осуществлении гетерогенных каталитических реакций в нестационарных условиях по схеме с периодическим изменением направления фильтрации реакционной смеси входная температура, как правило, не оказывает существенного влияния на степень превращения на выходе. Крайние части слоя работают в режиме периодического изменения входной температуры и степени превращения. Время формирования тепловой волны в этих участках определяется как первоначальным запасом тепла в слое (количеством тепла, переданным из центральной части), так и температурой реакционной смеси, поступающей на катализатор. Чем больше запас тепла и чем выше входная температура, тем быстрее происходит формирование тепловой волны, тем выше средняя за цикл степень превращения в крайних частях слоя.

Рис. 6.23. Принципиальная схема экспериментальной установки:

I — реактор; 2 — задвижки; 3 — электроподогреватели; 4 — термопары; 5 — потенциометр Расчеты показывают, что повышение входной температуры с 50 до 100 °C приводит к росту степени превращения в крайних частях слоя с 78 до 95% и вследствие этого растет степень превращения в аппарате в целом с 86 до 97%.

В результате теоретического анализа настоящей схемы были выявлены характерные особенности нестационарных режимов в трехслойной схеме.

• 1. При адиабатических разогревал свыше 70−90 °С удается организовать во всех частях слоя высокотемпературные периодические режимы, обеспечивающие высокую среднюю степень превращения реакционной смеси на выходе из аппарата.
• 2. Температура на выходе из аппарата изменяется незначительно, что обеспечивается временным сдвигом (на величину полуцикла) между температурными профилями в слоях II и III. В то время, когда на выходе из слоя II температура почти равна входной, на выходе из слоя III она достигает своего максимального значения.

Рис. 6.24. Экспериментальные профили температур по длине слоя катализатора (, для схемы, реализующей нестационарный циклический процесс в режиме «крылья», ЬТ_Ш = 205 °С:

1−3 — 5, 30 и 70 мин соответственно.

Рис. 6.25. Экспериментальные данные об изменениях температур на выходе из центральной части слоя катализатора (/) и на входе в крайнюю часть (2) в течение полуцикла для схемы, реализующей нестационарный процесс в режиме «крылья» (ДТ_Ш = 205 «С).

исследование было выпол;

Экспери ментальное нено на примере реакции окисления бутана на катализаторе хромит меди на оксиде алюминия. Некоторые эксперименты, связанные с определением рабочего диапазона адиабатических разогревов, были проведены на пропан-бутановой смеси. Принципиальная схема установки аналогична приведенной на рис. 6.23. Установка состояла из двух реакторов, каждый из которых представлял собой вертикальную трубу диаметром 0,175 м и высотой 2,8 м. Высота слоя катализатора в каждом из реакторов равнялась 2−2,4 м. Зерна катализатора были изготовлены в виде цилиндров диаметром 2−6 мм, высотой 4−5 мм. Циклические режимы работы реализовывались поочередным переключением соответствующих вентилей.

Циклический режим с периодически повторяющимися температурными профилями устанавливается за 5−10 переключений. Длительность одного эксперимента составляла 20−30 ч. На рис. 6.24 приведены температурные профили по оси слоя катализатора в разные моменты времени для установившегося периодического режима при условиях и = 0,41 м/с; х_к = 5 с; t_c = = 150 мин; cq = 0,2%. Изменения температуры и степени превращения во времени в различных участках реактора приведены на рис. 6.25.