3. 5. Попередній вибір типу реактора .

У якості прикладу розглянемо вибір типу апарату для процесу одержання формальдегiда із метанола. В наданому процесі протікає дві послідовні необоротні екзотермічні реакції, причому енергія активації другої побочної` реакції менш енергії активації основної реакції. В цьому випадку теоретично оптимальним є ізотермичний режим при максимально можливій температурі, що визначається умовами термостійкістi каталiзатора.

Моделювання було проведено для трьох різноманітних апаратів : трубчатий реактор з безупинним відведенням тепла (а), апарат з трьома адiабатично працюючими верствами каталiзатора та відведенням тепла між ними (б), апарат , що комбінувався послідовно, що становить послідовно розміщені трубчату частину і одну адіабатичну працюючу верству каталiзатора (в)(Риc. 3. 11).

Профілі температур для кожного із разгляданих апаратів приведені на Риc. 3. 12.

Як видно з приведених графіків, найкращим образом наблизизитися до теоретично оптимального режиму можна в апараті, що комбінувався. Параметрами, що визначаються вибір реактора, є жарактер і число фаз, потужність реактора, активність каталiзатора, величина адiабатичного розігріва, температурний інтервал допущеної праці каталiзатора, наявність дифузійного гальмування , зміна активності каталiзатора в часу та ін. .

3. 6. Моделювання процесу в шару каталiзатора.

При моделюваннi процесів в шару необхідно враховувати ряд особливостей :

1. Наявність двох фаз - твердої - зерна каталiзатора та газоподібної (жiдкой)- струм реакційної суміші.

2. Температура і концентрації компонентів в газовій і твердій фазах можуть розрізнятися надто значно.

3. Перенос тепла по шару здійснюється як по твердій фазі, так і потоку реагентов, а перенос речовини - тільки по потоку реагентів.

Для більшості промислових процесів в залежності від співвідношення висоти шара каталiзатора(l)до діаметру(d)стає можливим не враховувати оті чи інші елементарні процеси(рис. 3.13). Так, якщо L>d, оте істотне значення мають процеси переносу в радiальному напрямку і передачі тепла крізь стінку апарату, а при L>>d, оте, як правило, можна зневажити процесами переносу в продольному напрямку за рахунок дифузії і теплопровідностi. Процес в апараті такого типу може бути описаний двухпараметричною діфузіоною моделлю за умови, що D=0 .

Для апаратів, коли L<d, картина міняється: процесами радіального переносу і теплоотвода крізь стінку часто можна заневажити, а процеси подовжнього переносу грають надто помітну роль. Розглянемо понад докладно останній випадок.Якщо процеси переносу між зовнішньою поверхню зерна каталiзатора і ядром струму не виявляють помітного впливу на показники процесу, відбувається інтенсивний тепло і масообмін поміж фазами , оте для опису процесу в цьому випадку можна використовувати дифузійну модель з одним параметром. В разі достатньо більших лінійних швидкостей потоку та високих шар каталізатора укладення дифузійної , що складає , надто незначтний і для опису процесу в шару каталiзатора можна використовувати модель РІВ . Коли вплив зовнішнього тепло- і масообміна істотно, оте в цьому випадку використовується двохфазна модель для опису процесів в шару каталізатора. Схематично надану модель можна представити слідуючим чином(рис.3.13).

Шар ділиться на дві частини - тверда фаза (зерна каталiзатора)і вільний обсяг , по якому проходить весь струм реагентів . Хімічне перетворення діється тільки в твердій фазі. При висновку рівнянь математичної моделі прийняті наступні позначення:

_- частка вільного обсягу шару та зерна; долі;

dF- поверхня обміну між фазами у виділеному елементарному обсязі шаруючи висотою dl, м²;

_K - ефективний коефіцієнт теплопровідності по твердій фазі, вт/(м.К);

_m,_T - коефіцієнти массо- і теплообміну, м/с і вт/(м².К), відповідно;

С_з ,Т_з - концентрація і температура на зерні каталізатора;

С_k - теплоємність каталізатора, Дж/(м³.К);

W_н, W - швидкість хімічного перетворення, що спостерігається, віднесена до одиниці об'єму зерна каталізатору чи шару, моль/(м³.с).

Інші позначенняаналогичні дифузійної моделі.

Математичний опис процесу має наступний вид :

1. Матеріальний баланс в газовій фазі враховує процеси переносу маси за рахунок дифузійного і конвектівного струмів і масообмін між фазами. Розглянемо докладно висновок цього рівняння :

- Прихід речовини з струмом

-Витрата речовини з струмом

- Прихід речовини за рахунок dC потоком продольної діфузії

- Видаток речовини за рахунок продольной дифузії

- Передається каталiзатору за рахунок масообміну

_m*dF*C

- Приймається від каталiзатора за рахунок масообміну

_m*dF*C_з

• Зміна кількості речовини в вільному обсязі шара * S * dl

Поділивши всі доданки на S dl і привівши подібні,одержимо в остаточному

виді дорівнення матеріального балансу для газової фази :

(3.19)

2. Тепловий баланс в газовій фазі враховує процеси переносу тепла за рахунок продольної теплопроводностi, конвектiвного потоку і теплообміну між фазами. Висновок аналогичен попередньому.

(3.20)

3. Матеріальнийбаланс в твердій фазі враховує перенос речовини між фазами зарахунокмасообміну та хімічне перетворення :

Позначивши W= та = одержимо:

(3.21)

4. Тепловийбаланс в твердій фазі враховує процеси переносу тепла за рахунок теплопроводностi і теплообміна між фазами , виділення тепла за рахунок хімічної реакції

(3.22)

Система рівнянь становить собою двохфазну математичну модель процесу в непорушному шарі каталiзатора. Надану модель використовують при моделюваннi процесів , для яких істотне значення має зовнішній тепло- і масообмін, а також для для розрахунку перехідних режимів.