ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет естественных наук

Н. В. Верниковская, Ю. В. Малоземов, С. А. Покровская

Каталитические процессы в реакторах с неподвижным слоем

Учебно-методическое пособие

Новосибирск

2008

УДК 544.47:544.344;66.023.2

ББК Г544.12; Л115-51

В 35

Н. В. Верниковская, Ю. В. Малоземов, С. А. Покровская Каталитические процессы в реакторах с неподвижным слоем: Учебно-методическое пособие для компьютерного курса по инженерной химии каталитических процессов / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2008. 68с.

Учебное пособие включает разделы, в которых изложен материал об основных типах реакторов с неподвижным слоем катализатора и методах их расчета; описан пакет «Реактор»  программное обеспечение для расчета гетерогенных каталитических процессов в реакторах с неподвижным слоем и инструкция для пользователя этим пакетом.

Пособие предназначено для проведения компьютерного курса по инженерной химии каталитических процессов. В нем приводится перечень заданий, примеры выполнения заданий, контрольные вопросы.

Материал пособия апробирован при прохождении компьютерного курса в рамках учебной дисциплины «Инженерная химия каталитических процессов» студентами 5-го курса кафедры катализа и адсорбции ФЕН НГУ и может быть использован для подготовки и переподготовки специалистов в области научных основ инженерного катализа на химических и химико-технологических факультетах университетов и в технических вузах.

Издание пособия подготовлено в рамках выполнения инновационно-об­ра­зо­ва­тель­ной программы «Инновационные образовательные программы и технологии, реализуемые на принципах партнерства классического университета, науки, бизнеса и государства» национального проекта «Образование».

Рецензент: кандидат хим. наук Н. А. Пахомов

Новосибирский государственный

Университет, 2008

Верниковская Н. В., Малоземов Ю. В.,

Покровская С. А.

Введение

Реакторы с неподвижным слоем катализатора являются наиболее распространенными системами в области каталитических технологий. Такие реакторы представляют собой неоднородную систему, состоящую из двух фаз: твердых частиц катализатора и промежутков между ними, по которым движется реакционная смесь в виде газа или жидкости. В реакторе одновременно протекают как химические превращения на поверхности катализатора, так и физические процессы  перенос реагирующих веществ и продуктов реакции в слое, передача тепла, движение потока газа и т. д. Характер взаимодействия между составляющими процесса и их удельный вес в суммарном процессе зависит от масштаба реактора.

Как можно изучить закономерности протекания каталитического процесса в аппаратах промышленного масштаба, исследовать влияние размеров реактора и рабочих условий на основные показатели процесса, выбрать оптимальный рабочий режим, позволяющий получить максимальный выход целевого продукта, и избежать при этом, например, перегрева катализатора? Решение проблем масштабного перехода от лабораторных исследований каталитической реакции на молекулярном уровне до условий промышленной реализации процесса возможно на основе фундаментальных знаний о химических превращениях и физических процессах переноса вещества, тепла и импульса. Основой методологии масштабного перехода является при этом построение математических моделей каталитических процессов путем сочетания вычислительного и натурного экспериментов с использованием современных методов математического анализа.

Многолетний опыт использования этого метода показал его большое преимущество по сравнению с методом физического моделирования, который заключался в переносе результатов измерений на реакторе одного масштаба на работу реактора другого масштаба, основываясь только на теории подобия [14]. Метод математического моделирования используется для определения поведения реактора любого масштаба и включает создание модели, ее исследование и интерпретацию результатов на исследуемый процесс. Математические модели, описывающие каталитические процессы в неподвижном слое катализатора, как правило, представляют собой системы уравнений в частных производных и могут быть решены с использованием численных методов.

В пособие включены разделы, посвященные основным типам реакторов с неподвижным слоем катализатора, анализу математических моделей, отражающих каталитический процесс в неподвижном слое, и методам их расчета. Дано подробное описание программного обеспечения «Реактор»  пакета компьютерных программ для расчета гетерогенных каталитических процессов в реакторах с неподвижным слоем, разработанного в Институте катализа им. Г. К. Борескова СО РАН.

Обучающий пакет «Реактор» разработан на основе численных алгоритмов, реализующих решение математических моделей, описывающих процесс в реакторах с неподвижным слоем промышленного масштаба: адиабатическом, многослойном (полочном), трубчатом, комбинированном. Пакет обладает современным интерфейсом, работает в диалоговом режиме в операционной системе Windows, позволяет легко задавать параметры процесса и получать наглядное представление результатов на экране в виде таблиц и графиков. Пакет позволяет проводить:

 исследование характеристик стационарных режимов работы каталитического реактора для конкретного процесса;

 изучение влияния гидродинамических условий и рабочих параметров (размера частиц катализатора, расхода газовой смеси, температуры, давления, размера реактора и т. д.) на характеристики процесса (поля концентраций и температур, селективность целевого продукта, производительность, утилизацию тепла реакции и т. д.);

 численное исследование влияния характеристик реактора на производительность аппарата, определение оптимальных условий реализации процесса и т. д.

Материал пособия и пакет «Реактор» апробированы при прохождении компьютерного курса в рамках учебной дисциплины «Инженерная химия каталитических процессов» студентами 5 курса кафедры катализа и адсорбции ФЕН НГУ и могут быть использованы как для подготовки и переподготовки специалистов в области научных основ инженерного катализа в вузах, так и для выполнения научных исследований и прикладных работ.

А вторы выражают искреннюю благодарность зам. директора ИК СО РАН А. С. Носкову за поддержку выполненных работ; сотрудникам ИВМиМГ СО РАН В. И. Дробышевичу и Л. В. Яушевой за предоставленную возможность использования блока компьютерных программ из программного обеспечения «DROB» при разработке пакета «Реактор»; сотруднице ИК СО РАН Н. А. Чумаковой за тестирование части блоков программ пакета «Реактор»; зам. декана ФЕН НГУ В. А. Емельянову за содействие при написании пособия.