Градиент температуры внутри зерна катализатора

Теплопередача внутри пористого зерна катализатора определяется некоторым эффективным коэффициентом теплопроводности так же, как диффузия — эффективным коэффициентом диффузии данного вещества. Конечно, неренос тепла идет в основном через твердую фазу, в то время как перенос вещества — только через норы. Вопрос о том, как связана эффективная теплопроводность со структурой пор и свойствами твердой фазы, обсуждается в главе 5 книги Петерсена (см. библиографию, стр. 147) здесь мы только отметим, что коэффициент теплопроводности может быть определен таким образом, что тепловой поток через единичную площадку внутри частицы будет пропорционален градиенту температуры по направлению нормали к этой площадке с коаффициентом пропорциональности к . [c.142]

Градиент температуры внутри зерна катализатора [c.78]

Для определения влияния первого фактора рассчитывался градиент температуры внутри зерна катализатора ио соотношению [14] [c.231]

Оптимальное периодическое управление температурой на входе адиабатического слоя катализатора. Предположим, что для описания нестационарного процесса в слое можно а) пренебречь продольным переносом тепла и вещества в газовой фазе за счет эффективной продольной теплопроводности и диффузии б) внутри пористого зерна катализатора практически отсутствуют градиенты температур в) можно не учитывать тепло- и массоемкость зерна и свободного объема слоя, так как будут рассматриваться процессы с характерными временами, гораздо большими, чем масштабы времени переходных режимов в газовой фазе теплообмен на границах слоя несуществен. Тогда в безразмерном виде математическую модель нестационарного процесса в слое можно записать так [c.132]

Если внутри зерна катализатора имеются незначительные градиенты температуры, то математическое описание нестационарного процесса тепло- и массообмена при протекании экзотермической реакции можно представить системой уравнений [7, 81 [c.86]

Эти результаты важны вследствие того, что здесь был использован полный анализ нестационарного режима и были получены результирующие профили активности при неизотермических условиях. Однако при этом предполагалась простая кинетика первого порядка для основной реакции и пренебрегали градиентами температуры и концентрации внутри зерна катализатора. Градиенты температуры внутри частиц могут вполне быть несущественными для реагирующего катализатора, но градиенты концентрации внутри частиц катализатора в общем случае нельзя игнорировать. [c.163]

Предполагается, что процессы теплообмена в реак- торе проходят достаточно интенсивно, так что градиентами температуры внутри реактора можно пренебречь. С этим предположением связана форма уравнения сохранения тепловой энергии (3.2), которое выражает интегральный баланс тепла в реакторе. Второй член в уравнении (3.2) учитывает теплообмен реактора с внешней средой и различие температур смеси, поступающей в реактор, и смеси, находящейся в реакторе. Третий член учитывает суммарное выделение (поглощение) тепла в реакторе аналогичным образом учет тепловыделения проводился ранее [93] при рассмотрении химической реакции внутри одиночного зерна катализатора при высоких значениях коэффициента теплопроводности. [c.147]

Вследствие дезактивации части катализатора реакция может происходить только внутри него. Это приводит к высокой скорости реакции на границе зоны с дезактивированной частью, повышенному тепловыделению и большому градиенту температуры. Последний сильно зависит от характера дезактивации. Градиент температур возникает также между поверхностью зерна и потоком вокруг него, причем по мере дезактивации отношение внешнего и внутреннего градиентов температуры увеличивается. На дезактивированном катализаторе могут возникнуть те же градиенты, что и на свежем. [c.74]

Следует отметить, что безградиентные реакторы могут применяться для изучения реакций на крупных зернах катализатора при наличии диффузионного торможения в порах. При этом градиенты отсутствуют только в газовой фазе, а внутри зерна концентрации и температура могут изменяться. Такое зерно можно рассматривать как совокупность слоев, найти концентрации и скорости для каждого слоя и затем скорости просуммировать. Если поверхность катализатора однородна, реакция на зерне также описывается уравнениями (11,10) и (11,11), где индекс п относится теперь к номеру слоя. [c.28]

В процессе, идущем на пористом катализаторе, наряду с диффузионным сопротивлением переносу реагентов внутрь зерна могут возникнуть и затруднения с отводом тепла реакции. Перенос тепла в зерне идет по двум механизмам 1) за счет теплопроводности твердой пористой частицы и 2) вследствие молекулярной диффузии в порах. Суммарное действие обоих механизмов описывается эффективным коэффициентом теплопроводности X. Если материал пористого зерна хорошо проводит тепло, частица катализатора при всех условиях остается изотермической. В случае же малой теплопроводности катализатора механизм тепло- и массопереноса в зерне один и тот же, и надо ожидать одновременного появления градиентов концентраций и температур в частице по мере перехода реакции во внутридиффузионную область. [c.143]

В пористых катализаторах, чаще всего применяемых в гетерогенном катализе, реагенты для достижения активной поверхности должны продиффундировать сквозь поры капилляра внутрь зерна и адсорбироваться на его внутренней поверхности. Химическая реакция протекает во всем объеме зерна и внутри его создается градиент концентраций и температур. При большой скорости реакции процесс лимитируется диффузионным потоком реагентов. В этом случае говорят о внутридиффузионном торможении процесса. [c.205]

Математические модели нестационарных процессов в реакторе. Легко подсчитать, что количество возможных моделей процессов в неподвижном слое катализатора равно нескольким сотням. Однако используя приведенные выше неравенства, выделяющие основные факторы и определяющие поведение темперйтурных и концентрационных полей в реакторе, легко построить узкую существенную модель процесса в целом. Так, для процесса окисления SO2 в SO3 в реакторе с адиабатическими слоями катализатора нестационарный процесс в первом слое должен описываться моделью, учитывающей градиенты температур и концентраций внутри зерна катализатора, в последующих слоях процесс в зерне достаточно представить моделью идеального перемешивания по теплу стационарные режимы во всех слоях удовлетворительно описываются моделью идеального вытеснения стационарный режим для процесса синтеза винилхлорида в трубчатом реакторе описывается квазиго-могенной моделью, учитывающей перепады температур по радиусу трубки, а для описания нестационарных процессов в реакторе не обходимо учитывать и перепады температур внутри зерна. [c.73]

Разработаны также двухфазные модели, учитывающие неравномерное распределение концентрации компонента внутри сферической частицы пористого катализатора и, соответственно, различную скорость реагирования в зерне. При этом температура Т по всему зерну считается постоянной, но отличной от температуры I сплошной фазы. Введение таких условий компенсируется предположением об отсутствии градиентов концентрации и температуры в поперечном направлении слоя [c.165]

Из этого следует, что причина упомянутого несоответствия между экспериментом и теорией не вызвз иа появлением -градиента температуры внутри зерна катализатора. Поэтому нами была рассмотрена вторая возможная причина. С этой целью было определено распределение пор по радиусам в области от макропор до минимального радиуса [c.231]

Математическое описание процессов в адиабатическом слое катализатора имеет вид (3.26) — (3.31), если выполнены следующие предноложения а) градиенты температур внутри зерен катализатора незначительны б) химические процессы на внутренней поверхности зерен катализатора и диффузионные процессы внутри пористого зерна катализатора квазистационарны по отношению к процессам переноса в газовой фазе в) в реакторе протекает одна экзотермическая реакция типа А В без изменения объема. [c.81]

Если конструкция реактора позволяет избежать перепадов концентраций и температуры в газовой (жидкой) фазе, такой реактор, впервые предложенный в работе [7], принято называть безградиентным. Если, кроме того, отсутствуют градиенты и внутри зерна катализатора, скорости Л, пропорциональны скоростям г , вычисленным по формулам (11,2) или (11,4). Так как концентрации во всех частях безградиентного реактора одинаковы, количество ка-Нхдого участника реакции можно выразить через объем Ур аппарата [c.28]

Перепад температуры по радиусу зерна определяется как интенсивностью теплопереноса внутри зерна, так и интвнсжвностыо отвода тепла, выделяющегося в зерне. Наличие теплопереноса по скелету слоя обеспечивает отвод тепла к соседним участкам зернистого слоя катализатора. Это увеличивает дисперсию тепла по слою возрастает ширина зоны реакции, как следствие, уменьшается максимальная температура во фронте (рис. 3.5). При этом уменьшаются и температурные градиенты по слою и по радиусу зерна катализатора. С ростом интенсивности теплопереноса по слою влияние внутреннего переноса тепла в зерне па температуру фронта уменьшается. Численный анализ позволил также сделать вывод [c.93]

Влияние массопередачи внутри зерна катализатора на кинетику гетерогеннокаталитических процессов впервые было учтено Зельдовичем и Тиле. При этом допускалось, что перенос вещества внутри зерна катализатора характеризуется некоторым эффективным коэффициентом внутренней диффузии >, не зависящим от концентрации и расстояния от поверхности катализатора (т. е. предполагалась изотропность последнего), и что градиент температур внутри пор отсутствует. [c.185]

При одновременном протекании в пористом зерне катализатора тшических реакций и процессов массо- и теплопереноса в нем возникают градиенты температур и концентраций, т. е. концентрации реагентов и температура смеси изменяются по глубине зерна и отличаются от их значений на поверхности. Скорость же превращения в аппарате обычно определяют при значениях переменных на поверхности катализатора. А для учета внутри-диффузионных эффектов вводится вспомогательная функция т], которая носит название фактора эффективности, или степени использования внутренней поверхности зерна катализатора, и определяется отношением [c.158]

Динамические характеристики. Из-за внешних воздействий и (или) изменений внутренних свойств катализатора и реактора в целом температурные и концентрационные поля в слое катализатора меняются во времени. При этом, как было показано, те параметры, влияние которых в стационарном режиме можно было не учитывать, часто оказываются существенными в нестационарном процессе. К таким параметрам можно отнести, например, дисперсию вещества вдоль слоя катализатора, массоемкость и теплоемкость слоя, неравподоступность наружной поверхности зерна, внешний тепло- и массообмен. В стационарном режиме значительное число факторов воздействует на состояние системы независимо и часто аддитивно. Это позволяет использовать более узкие модели и эффективные параметры, отражающие суммарное влияние этих факторов. В нестационарном режиме степень влияния этих же факторов может быть иной и, кроме того, сильно зависеть от состояния системы. Р1х влияние необходимо учитывать порознь. Так, например, дисперсию тепла вдоль адиабатически работающего слоя катализатора в стационарном режиме вполне достаточно представить коэффициентом эффективной продольной теплопроводности. В нестационарном режиме это недопустимо — необходимо учитывать раздельно перенос тепла по скелету катализатора, теплообмен между реакционной смесью и наружной поверхностью зерна и иногда перенос тепла внутри пористого зерна. Из-за инерционных свойств в нестационарном режиме имеют место большие, чем в стационарном, градиенты температур и концентраций на зерне и в слое катализатора. Это приводит, иапример, к отсутствию пропорциональной зависимости между температурой и степенью превращения, непродолжительному, но большому перегреву у поверхности зерна с наилучшими условиями обмена, значительным перегревам слоя — динамическим забросам, на-Л1Н0Г0 превышающим стационарные перепады температур между входом и выходом из слоя могут быть в несколько раз больше адиабатического разогрева при полной степени превращения. Сдвиг по фазе между температурными и концентрационными полями иногда приводит к возникновению колебательных пере- [c.13]

Влияние размеров зерен катализаторов. Первоначально изучалось влияние размеров зерен йз на характеристики стационарных режимов процесса синтеза аммиака. Расчеты выполнялись для первого слоя двухполочного аппарата со временем контакта 0,064 с. Скорость фильтрации реакционной смеси, пересчитанная на нормальные условия, 4,56 м/с. При увеличении размеров зерна катализатора с 5 до 10 мм степень превращения на выходе из первого слоя уменьшалась с 13,2 до 9,7%, что связано с уменьшением степени использования внутренней поверхности зерна катализатора, обусловленного наличием диффузионного торможения. Температурные градиенты внутри зерна в стационарном режиме невелики и в зоне максимальных температур градиентов по слою не превышают 1 (для зерна 2 мм) и 3°С (для 5 мм зерна). Для зерна катализатора размером 10 мм температурный перепад в зерне достигает 6°С в стацпонарном режи.ме. Однако перенос тепла внутри зерна не оказывает заметного влияния на характеристики стационарного процесса. Например, были выполнены расчеты стационарного режима (для зерна 2 мм) и 3°С (для зерна 5 мм). Для зерна катализатора проводности Яз = 0,5-10 ккал/(м с град). При этих значениях параметров в зерне образуется перепад температур между поверхностью и центром 6° (если зерно находится в зоне максимальных температурных градиентов по длине слоя). На выходе из первого слоя двухполочного реактора оптимальная степень превращения достигала 2 = 9,7% аммиака, а температура Г = 474°С. Для изотермического зерна катализатора выходные характеристики первого слоя составляли соответственно 2 = 9,6% и Г = 472°С. Таким образом, при расчетах стационарных режимов зерна катализатора можно считать изотермическими. [c.212]

СКВОЗЬ поры катализатора вследствие протекания химической реакции во всей массе зерна, внутри частицы катализатора создается градиент концентраций и температур. При этом эффективность работы катализатора ниже той, которая была бы достижима при равнодоступной поверхности. Задача о реакции на изотермическом зерне пористого катализатора была одновременно решена Я. Б. Зельдовичем [8] и Тиле [9]. [c.125]

В соответствии с уравнениями (6) или (6а) заметный перегрев внутри пористого зерна катализатора может быть получен только при высоких значениях )эф, т. е. при объемной диффузии в больших порах. Кнудсеновский -поток, как уже показали Вайс и Хикс 20], дает только малые эффекты даже при больших значениях ( —АН) и малых X в уравнении (6). Для того чтобы проверить эту теорию, были проведены эксперименты с использованием катализатора с макроскопическими параллельными порами [22]. Стержни из керамического материала (алюмосиликат, поверхность БЭТ — 6,3 м /г) диаметром 0,2 см и длиной 4,9 см были покрыты слоем СиО как катализатором для разложения КгО. Контактный узел из 150 стержней, плотно вложенный в стеклянную трубу, вводился в нагреватель типа калориметра (рис. 5). Этот прибор служил для поддержания приблизительно адиабатических условий па стенках н дне трубки. Верхняя поверхность стержней подвергалась воздействию газового потока, который подавался так, как это показано иа рис. 5. Во время опытов нижняя часть стержней дополнительно нагревалась медной печью (см. рис. 5), чтобы гарантировать исчезновение температурных градиентов на дне. На рис. 6 показано несколько профилей, измеренных скользящей термопарой вдоль оси стерл ня, С помощью большой печи температура на поверхности поддерживалась постоянной (Г., = 853°К), а состав газа на поверхности (с .) менялся. Разность температур между поверхностью и центром поднялась до 36° пропорционально как и следовало ожидать из уравнения (6а) (с .о = О на дне). [c.22]

В 1.15 отмечалось наличие значительных градиентов тей пературы внутри зерен пористого катализатора, возникающих за счет теплоты реакции. Перепад температур между поверхностью и центром зерна может быть легко вычислен, как это было показано Прейтером (30]. Пусть i — концентрация реагек-та в некоторой точке пористого тела и г — скорость потребления реагента в этой точке, отнесенная к единице объема. Составим материальный баланс [c.183]