2. Многослойный реактор

Многослойный реактор  это реактор с несколькими адиабатическими слоями катализатора и промежуточным отводом тепла между ними. Многослойный реактор рассчитывается в несколько этапов, число которых зависит от числа слоев. Сначала рассчитывается первый слой адиабатического реактора. Все конструкционные и технологические параметры по расчету задаются в пункте меню «Параметры». Затем рассчитываются второй и последующие слои адиабатического реактора. В качестве входных значений концентраций берутся значения на выходе из предыдущего слоя. В качестве входного значения температуры на каждом слое задается новое меньшее значение, так как есть отвод тепла.

2. Трубчатый реактор

2.3.1. Основные характеристики

Трубчатый реактор представляет собой систему трубок небольшого диаметра, в которые помещается катализатор, а в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель. Подвод или отвод тепла осуществляется через стенку реактора посредством теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем. В трубчатых реакторах применяют достаточно высокие слои катализатора, большие линейные скорости газового потока позволяют получить высокие скорости тепло- и массопередачи, что обеспечивает хорошие условия отвода тепла от катализатора. Кроме того, хорошие условия теплоотвода определяются большим отношением поверхности теплоотдачи к объёму катализатора внутри трубок.

Распределение температур в трубке определяется коэффициентом теплопроводности зернистого слоя и теплопереносом от слоя к наружной среде (холодильнику), а именно коэффициентом теплопередачи К_w:

,

где _w  коэффициент теплообмена на внутренней стороне трубки; _о – коэффициент теплоотдачи на внешней стороне трубки; R_w – термическое сопротивление стенки трубки. Если R_w  0, а _о  , т. е. если термическое сопротивление стенки трубки пренебрежимо мало, а коэффициент теплоотдачи на внешней стороне трубки велик, то , т. е. теплоперенос от слоя к наружной среде будет определяться коэффициентом теплообмена на внутренней стороне трубки _w, а температура стенки реактора будет равна температуре холодильника, .

Температура холодильника не сильно меняется по длине слоя (трубки), в пакете «Реактор» Т_cold принята постоянной по длине, поэтому условия теплопередачи по длине также не меняются, но тепловыделение с глубиной протекания реакции меняется значительно. Профиль температуры по длине трубки имеет, как правило, ярко выраженный максимум (рис. 8). Расчет проведен в трубчатом реакторе для реакции вида A + B  C + D при следующих параметрах процесса:

 весовой расход реакционной смеси (G) = 1,510^-3 кг/с;

 длина слоя катализатора (L) = 0,6 м;

 диаметр трубки (D_tube) = 8 см;

 порозность слоя () = 0,4;

 давление (Р) = 1 атм;

 температура на входе в реактор (Т_in) = 230°C;

 температура стенки (холодильника) (Т_cold) = 280°C;

 опорная (рабочая) температура (Т_ref) = 300°C;

 диаметр зерна катализатора (d_p) = 1 мм ;

 активность катализатора = 1.

Концентрации веществ (мольные доли в исходной смеси):

C_A  0,045; C_B  0,1; C_C – 0,0; C_D – 0,01.

Рис. 8. Температурный профиль по длине слоя

При оптимизации трубчатого реактора также необходимо добиваться того, чтобы максимальная температура в слое была близка к допустимой. Так как на выходе из трубки температура понижается, приближаясь к Т_cold, то скорость реакции снижается, поэтому степень превращения в трубчатом реакторе ниже, чем в адиабатическом. На рис. 9 приведены концентрационные профили по длине трубки. При одном и том же времени контакта (длина трубки 0,2 м) в адиабатическом реакторе достигается полная степень превращения, в то время как в трубчатом Х = 96 %.

На рис. 10 приведены профили температуры по радиусу слоя. В зоне максимальных температур температура в центре трубки

Рис. 9. Концентрационные профили по длине слоя: 1 – С_A; 2 – C_C;

3- C_D; 4 – C_B

Рис. 10. Температурные профили по радиусу слоя: 1 – в зоне максимальных температур, 2 – на выходе из слоя

Рис. 11. Профили степени превращения по радиусу слоя: 1 – в зоне максимальных температур; 2 – на выходе из слоя

отличается от температуры у стенки на 60 градусов, поэтому у стенки трубки наблюдается пониженная степень превращения (рис. 11, 1). На выходе из реактора (длина 0,4 м) достигается полная степень превращения.