ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Процессы в нестационарном режиме из "Моделирование каталитических процессов и реакторов" При рассмотрении нестационарных режимов необходим анализ составляющих процесса по характеристическим временам их протекания в отличие от стационарных режимов, когда составляющие анализируют по их интенсивности. [c.154] Естественно, что выделение существенных составляющих, т.е. вносящих значительный вклад в общую картину процесса, по разным признакам (характеристическое время и интенсивность) не всегда может привести к одинаковому результату. Так, в работе [208] был рассмотрен переходный режим в слое катализатора в парокислородном конверторе метана. В этом процессе реакция протекает в узкой зоне так, что в большей части слоя (более 90% всего объема) происходит фильтрация потока через зернистый слой. Естественно, в стационарном режиме в этой части слоя температуры потока и зерен катализатора одинаковы. В случае добавления инерционного члена при описании переходного режима его расчетное время составляет 20 мин. Экспериментально установлено, что переходный процесс длится более 1 ч. При этом необходимо учитывать такую составляющую, как перенос тепла между потоком и зернами катализатора, роль которой несущественна в стационарном режиме. Учет этой составляющей позволил достаточно точно предсказать переходный режим в реакторе. [c.154] В переходном режиме из-за разной скорости элементарных стадий реакции [209] может возникнуть необходимость использовать и другую кинетическую модель. Чтобы выявить некоторые характерные черты нестационарного режима, рассмотрим его более простые модели. [c.154] Уравнения (3.117) и (3.118) представляют собой систему уравнений первого порядка с реальными значениями и 2. [c.155] Можно доказать [210, 211], что решение системы единственное и постоянно зависит от граничных условий. [c.156] Динамика процесса в реакторе при воздействии кратковременного возмущения характеризуется несколькими особенностями. При сильно экзотермических реакциях возникает тонкая реакционная зона, перемещающаяся с почти постоянной скоростью вдоль слоя (рис. 3.39). Она соответствует состоянию, при котором вещество полностью расходуется. Главной характеристикой этой зоны является устойчивость ее формы, так как система реагирует на изменение граничных условий только изменениями скорости перемещения фронта и его ширины. [c.156] Используя параметр скорости конвективного теплопереноса V = = Ч гРг/Рк к в неподвижном слое, получим зависимость разности температуры А Тфр от отношения К фр/г (рис. 3.40). Если реакционная зона движется в направлении течения газового потока, температура в ней повышается, причем тем больше, чем быстрее движется реакционная зона, потому что она кроме выделяющегося тепла реакции отводит еще накопленное в слое тепло. Поскольку скорость движения фронта связана со скоростью газового потока, то при ее увеличении возрастает максимальная температура, которая может превысить адиабатическую. [c.157] Если скорость движения фронта равна скорости конвективного теплопереноса, то температура теоретически стремится к бесконечной, т.е. возникает сингулярность. При этом все тепло, выделившееся в реакционной зоне, не может быть отведено конвективным теплопере-носом из слоя, оно поглощается в нем полностью. Однако реально такое повышение температуры не может произойти, так как при увеличении скорости движения газового потока или уменьшении входных температуры либо концентрации реакционной смеси установится некоторая скорость движения зоны вследствие более сложного взаимодействия между тепловыделением в результате химической реакции и переносом вещества и тепла. [c.157] В реакционной зоне, движущейся против течения газового потока ДГфр меньше, чем в неподвижной зоне, так как более холодный катализатор разогревается в направлении к входу реактора. В работе [213] впервые была предложена корреляция для скорости движения теплового фронта . [c.157] Знак фр определяет направление движения фронта. Уравнение (3.124) неоднократно было подтверждено экспериментально [213,214]. [c.158] ЭТОМ случае катализатор дезактивируется при критической скорости движения фронта, повышая в нем температуру. При этом все воздействия, которые могут перемещать реакщюнную зону к началу слоя, уменьшающие скорость реакции, могут привести к кратковременному повышению максимальной температуры в зоне реактора и на выходе из него. Изменения в обратном направлении приводят к противоположному явлению. Так, в [216] показано, что при синтезе винилацетата катализатор разлагается при температуре выше 500 °С. В этом случае возникает и формируется горячая зона с положительной обратной связью повышение температуры - дезактивация- движущаяся реакционная зона- повышение температуры (рис. 3.42). Этот механизм может объяснить появление высоких пиков температуры в таком реакторе. В работе [217] описан случай, в котором реакционная зона, возникшая на выходе из реактора, где максимальная температура, перемещалась ко входу реактора вследствие обратного переноса теплопроводности слоя. Однако здесь реакция не завершилась, и максимум температуры опять перемещался в направлении течения газового потока к выходу из реактора. Максимальная температура достигла 900 °С, винилацетат при этом уже не образовывался. После появления двух максимумов температуры неустойчивость исчезла, потому что катализатор был полностью дезактивирован. Установлено, что термические неустойчивости уже возникли при адсорбции ацетилена на катализаторе. Подобные эффекты математическому описанию пока не поддаются. [c.159] Следует отметить, что для эффектов, связанных с феноменом движущейся реакционной зоны, предположение обратного переноса тепла продольной теплопроводностью является необязательным. [c.159] Предполагается, что внутри реакционной зоны реакция протекает до полного израсходования реагентов. [c.160] При отводе тепла скорость движения зоны может достигнуть нуля ( стоячая волна ). Дальнейшее увеличение скорости движения газа приводит к выдуванию реакционной зоны из реактора (рис. 3.44). [c.160] Для расчета скорости движения реакционной зоны [212] имеются приближенные уравнения, которые по сравнению с численным решением дифференциального уравнения с частными производными достаточно точно описывают процесс [212]. [c.160] В адиабатическом реакторе %,ах (1 +В). Следует отметить, что в реакторе с теплообменом такого ограничения нет. Наибольшая температура %ах в адиабатическом реакторе возникает на входе реактора ее можно рассчитать по уравнению (3.126). Зависимость от снижения входной температуры показывает, что вблизи Д Го 1 возрастает незначительно. Однако по мере уменьшения Д Го ниже некоторого критического значения ДГ рНпах возрастает быстро до высоких нереальных значений. В этом случае возникают другие взаимодействия, не учитываемые в данной модели. Следует отметить, что в реакторе с охлаждением может быть даже выше, чем в соответствующем адиабатическом реакторе, что объясняется более резким снижением скорости реакции при уменьшении входной температуры. [c.162] Подобные зависимости можно получить и для реакции 1 порядка. При этом вещество на ограниченной длине полностью не расходуется и возрастание температуры %ах (1 + ) возможно только в достаточно длинных реакторах. [c.162] Температура в перемещающейся зоне возрастает постепенно и ее профиль приобретает форму пика. Следует отметить, что квазигомогенная модель идеального вытеснения не может описать рассмотренное явление правильно в области множественных решений, где может происходить зажигание, либо потухание реакции. В этом случае необходимо учитывать продольный перенос тепла и вещества. [c.162] В охлаждаемом слое зажигание или погашение реакции происходит обычно в передней части реактора. В трубчатых реакторах колебание скорости движения газа также может привести к неустойчивым режимам при обратной связи через хладагент возможны автоколебания). [c.163] Проблема параметрической чувствительности реактора с неподвижным слоем изучена подробно в аботе [221] на примере окисления СО по квазигомогенной нестационарной двухмерной модели с учетом продольного переноса вещества и тепла. Установлен гистерезис по выходной концентрации при изменении входной температуры (рис. 3.46). Выявлено, что температура зажигания независима от длины реактора. Переход из кинетической области во внешнедиффузионную происходит скачкообразно. В одномерной модели реактора идеального вытеснения этот скачок определяется как так называемая параметрическая чувствительность. Данную модель можно применять только в области малой чувствительности системы. Модель с продольной диффузией применяют для описания гистерезиса, который наблюдается даже в длинных реакторах с неподвижным слоем. [c.163] Вернуться к основной статье