ИНЖЕНЕРНЫЕ ОСНОВЫ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ОРГАНИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Факторы, влияющие на технологическое оформление каталитических процессов

Каталитические процессы разнообразны и специфичны, что отражается в конструкции реакторов. Однако, с развитием технического прогресса всё в большей степени типизируются реакторы и всё более чётко классифицируются каталитические процессы и реакторы. Нами уже было рассмотрено деление каталитических процессов по ряду признаков (действие катализаторов, по типам реакций и т.д.).

Но существует ещё ряд параметров, по которым классифицируют каталитические процессы и реакторы и которые оказывают существенное влияние на технологическое оформление процессов:

  • - по тепловому эффекту реакций;
  • - по степени смешения исходных реагентов и продуктов реакции;
  • - по температурному режиму.

По тепловому эффекту процессы делятся на экзо- и эндотермические. Экзотермические процессы, происходящие с выделением теплоты, характеризуются наличием оптимальной температуры, соответствующей максимальному выходу продукта. При постоянстве времени контакта реагентов с катализатором и концентрации исходных реагентов выход продукта при возрастании температуры сначала повышается, а затем, вследствие смещения равновесия в сторону исходных веществ, снижается, обязательно проходя через точку, соответствующую оптимальной температуре (рис.2.1). В экзотермических процессах необходимы затраты теплоты на подогрев поступающих в реактор исходных реагентов до температуры зажигания катализатора (температура, при которой катализатор начинает работать). Следовательно, весьма важно применять активные катализаторы с низкой температурой зажигания.

Эндотермические процессы характеризуются монотонным возрастанием выхода продукта при повышении температуры (если не возникают побочные реакции). Поступающие реагенты необходимо нагревать так, чтобы компенсировать эндотермический эффект (потери теплоты).

В эндотермических процессах поступающие реагенты необходимо нагревать так, чтобы компенсировать эндотермический эффект (потери теплоты).

Зависимость выхода продукта от температуры для экзо- и эндотермического процессов

Рис. 2.1 Зависимость выхода продукта от температуры для экзо- и эндотермического процессов: х - выход продукта; t - температура; 1 - кривая экзотермического процесса; 2 - кривая эндотермического

процесса

По степени смешения исходных веществ с продуктами реакции различают режимы идеального вытеснения и полного смешения, а также режимы неполного смешения, характерные для производственных реакторов.

Режим идеального вытеснения характеризуется таким ламинарным течением потока реагентов, при котором любой элемент объёма движется по высоте аппарата параллельно другим элементам, не смешиваясь с предыдущими и последующими элементарными объёмами. Время контактирования с катализатором для всех молекул одинаково; температура и концентрации реагентов меняются по высоте слоя катализатора. К режиму идеального вытеснения приближается процесс в производственных аппаратах с неподвижным (фильтрующим) слоем катализатора при значительной высоте слоя (H:Da > 2, где Оа-диаметр аппарата) и не очень больших линейных скоростях потока исходных реагентов о)<1 м/с.

Режим полного смешения характеризуется турбулентным течением потока реагентов, при котором любой элементарный объём мгновенно перемешивается со всем содержимым реактора. Время контактирования с катализатором отдельных молекул может изменяться от О до оо. Температура и концентрации реагентов во всём реакционном объёме постоянны.

К режиму полного смешения приближаются каталитические процессы в реакторах взвешенного (кипящего) слоя при небольших высотах (Н< 1м) катализаторного слоя и высоких скоростях потока исходных реагентов.

Если суммировать всё сказанное, то зависимость выхода продукта X и концентрации исходного вещества С от времени контактирования с катализатором можно представить в виде графиков (рис.2.2).

Зависимость выхода продукта X и концентрации исходного вещества С от времени контактирования с катализатором

Рис. 2.2. Зависимость выхода продукта X и концентрации исходного вещества С от времени контактирования с катализатором: а- для процессов идеального смешения; б - для процессов идеального вытеснения

В реальных производственных аппаратах неполного смешения кривые X и С занимают промежуточное положение между кривыми а и б, представленными на рис.2.2.

По температурному режиму процессы и соответствующие им реакторы делятся на адиабатические, изотермические и пол итерм ические.

Адиабатические процессы происходят без отвода (или подвода) теплоты из слоя катализатора при ламинарном потоке реагентов, текущего по принципу идеального вытеснения.

Изотермические процессы протекают при постоянной температуре во всём слое катализатора. Приближение к изотермичности слоя катализатора может быть достигнуто за счет:

- непрерывной компенсации теплового эффекта реакции; малых тепловых эффектов реакции, концентрации исходного

вещества или степени превращения, т. е когда температура в слое может выравниваться за счёт теплопроводности катализатора;

- перемешивания реагентов и катализатора.

В аппаратах кипящего слоя температурный режим близок к изотермическому.

Политермические процессы - процессы, в которых тепловой эффект реакции компенсируется за счёт подвода или отвода теплоты. В пределе при полной компенсации теплового эффекта реакции за счёт подвода или отвода теплоты политермические процессы переходят в изотермические.

Политермические процессы осуществляются в трубчатых контактных аппаратах, при этом катализатор может быть расположен в трубах или в межтрубном пространстве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >