Последовательность расчета реакторов с псевдоожиженным слоем катализатора

Полный расчет реактора включает последовательные этапы определения технологических и конструктивных параметров, а также показателей экономической эффективности его применения.

Конечной целью технологического расчета каталитического реактора является определение объема катализатора и поверхности теплообмена, обеспечивающих достижение необходимой скорости процесса и заданной степени превращения.

Конструктивные расчеты предусматривают определение основных размеров реактора в целом и его элементов, при которых достигается наибольшая эффективность проведения процесса.

При технологическом расчете реактора определяются следующие параметры:

1) выход продукта;

2) скорости процесса на различных стадиях его протекания;

3) количество и состав материальных потоков, проходящих через реакционные зоны;

4) расход сырья, тепла и других производственных затрат.

В большинстве случаев при расчете реактора КС придерживаются следующей последовательности:

1. Анализируют термодинамику и кинетику химической реакции на выбранном катализаторе.

2. Ориентировочно определяют оптимальные условия проведения процесса: температурный диапазон работы, давление, размер частиц катализатора, число полок, распределение катализатора по полкам и др.

3. Рассчитывают критические скорости взвешивания и уноса частиц и выбирают рабочую скорость газового потока.

4. Составляют материальный баланс.

5. Рассчитывают необходимые количества катализатора.

6. Проводят технологические расчеты и определяют поверхность теплообмена.

7. Выполняют конструктивно-технологические расчеты.

Термодинамика и кинетика

Термодинамику и кинетику химической реакции анализируют на основе литературных и экспериментальных данных. На этом этапе подбирают необходимые физические и химические константы. Решающее влияние на кинетику оказывает активность выбранного катализатора, его селективность.

Оптимальные условия проведения процесса

Оптимальные условия проведения процесса должны обеспечивать протекание реакции с максимальной скоростью и наибольшим выходом продукта при заданном составе исходной смеси. Для этого анализируют условия проведения процесса и прежде всего его температурный режим.

Ориентировочный температурный диапазон работы реактора

Ориентировочный температурный диапазон работы реактора устанавливают на основе анализа зависимости равновесного и фактического выхода продукта.

Давление в кипящем слое оказывает такое же действие, как и в неподвижном слое, т.е. увеличивает скорость реакции согласно уравнения

, (12.104)

где P - отношение рабочего давления к атмосферному нормальному (0.1 МПа), т.е. безразмерное давление; - коэффициент пересчета к нормальному давлению и температуре; n - общий порядок реакции; K₀ - константа скорости; Е - энергия активности; - реакционный объем; - насыпной объем катализатора.

Тип технологической схемы

Тип технологической схемы иногда может определяться характеристиками выбранного катализатора и, в частности, температурой его зажигания. Например, если окажется, что заданная степень превращения больше равновесной при температуре зажигания , то необходима организация процесса с многоступенчатым контактированием и промежуточным отводом продукции реакции и с возвратом непрореагировавших компонентов на повторное контактирование после выделения целевого продукта и т.д.

Оптимальные значения размера зерна катализатора

Оптимальные значения размера зерна катализатора, которые определяются гидродинамикой и кинетикой процесса. При применении мелкозернистых катализаторов наиболее полно используется их внутренняя поверхность. 100 % использование внутренней поверхности соответствует такому размеру частиц катализатора, при котором процесс из внутридиффузионной области переходит в кинетическую.

Линейная скорость газа

Линейная скорость газа должна выбираться исходя из значений критических скоростей начала взвешивания и уноса .

, (12.105)

где - критерий Рейнольдса; - критерий Архимеда; d - средний диаметр зерен; - плотность газа и твердых частиц; - кинематический коэффициент вязкости газа.

Для определени может быть рекомендовано уравнение, позволяющее определить с точностью 30 %:

, (12.106)

При малых значениях критерия Ar (мелкие частицы) отношение скорости уноса к скорости псевдоожижения стремится 78, для больших значений Ar (крупные частицы) это отношение достигает 8,6. Для частиц размером 0,2 - 4,0 мм отношение скорости уноса к скорости псевдоожижения равно 10 - 15.

Число полок реактора и оптимальное распределение катализатора

Следует отметить, что для реакторов с фильтрующим слоем, работающих в адиабатическом режиме, минимальное число полок для экзотермических процессов определяется условиями разогрева катализатора от до температуры , предельно допустимой для эксплуатации контактной массы или до равновесной. Для реакторов КС минимальное число полок n_{min к.с.} обусловлено лишь гидродинамическими факторами, определяющими перемешивание газа и его подскок в виде пузырей. В подавляющем большинстве случаев _.

Материальные балансы

Материальные балансы составляются для всего и для каждого слоя в случае многополочного исполнения. Основная задача материального баланса - определение количества компонентов газовой смеси, выходящей из каждого слоя.

, (12.107)

где M - общая масса системы, кмоль; - время реакции, с; - изменение общего мольного потока системы в результате конвективного или молекулярного переноса, кмоль^.с^-1.

Для i-того вещества, участвующего в реакции

, (12.108)

где М_i - масса i - ого вещества в системе, кмоль; - изменение мольного потока i - ого вещества в результате конвективного или молекулярного переноса, кмоль^.с^-1; r_i - скорость химической реакции, выраженная по i - ому веществу, кмоль^.м^-3с^-1; - реакционный объем, м³.

Теплотехнические расчеты и определение поверхности теплообмена

Теплотехнические расчеты и определение поверхности теплообмена на каждой полке реактора проводят по данным материальных балансов и известным значениям теплообмена реакции. Для этого составляют тепловые балансы.

Поверхность теплообмена определяется по формуле:

, (12.109)

где Q_x - мощность теплового потока, отводимого теплообменными элементами из слоя катализатора; - средняя разность температур между слоем катализатора и хладагентом; k_т - коэффициент теплопередачи от слоя к хладагенту через стенку теплообменника.

,

где - теплопроводность материала стенки; - толщина стенки; - коэффициент теплоотдачи от хладагента.

Объем катализатора , необходимый для достижения заданной степени превращения, рассчитывают по уравнению:

, (12.110)

где - коэффициент запаса, применяемый для компенсации понижения активности катализатора вследствие отравления и потерь его из-за истирания.

Часто объем катализатора вычисляют на основании опытных данных.

, (12.111)

где m₂ - массовый расход газовой смеси, кг/ч; V₀ - известная из опыта объемная скорость подачи, м³газа на 1 м³ катализатора в 1 час; m₀ - массовая скорость подачи, кг газа на 1 м³ катализатора в 1 час.