2. Исследование процессов в реакторах различного типа

Пакет «Реактор» позволяет провести исследование процессов, протекающих в реакторах с неподвижным слоем катализатора различного типа. Стационарные режимы в адиабатическом и многослойном реакторах исследуются, принимая, что коэффициент теплообмена с холодильником _w = 0, т. е. реактор теплоизолирован. Для трубчатого реактора в пакете «Реактор» выполняется расчёт эффективных параметров переноса тепла и вещества. Расчет параметров проводится для катализаторов в виде сферы, поэтому принимаются следующие значения параметров, используемых в уравнении (4): _o /_g = = 10,5, B = 0,076 и в уравнении (6): А = 0,28; В = 0,08. При расчете трубчатого реактора температура наружной стенки принимается одинаковой по длине слоя катализатора, что на практике соответствует режиму с постоянной температурой теплоносителя. Учитывая, что поля концентраций и температур во всех трубках трубчатого реактора одинаковы, расчет такого типа реактора проводится с характеристиками для одной трубки.

2.1. Адиабатический реактор

2.1.1. Основные характеристики

Как уже отмечалось выше, отличительной особенностью адиабатического реактора является то, что он теплоизолирован и имеет большой диаметр и небольшую высоту. Так как нет возможности охлаждать реактор через стенки, то в адиабатических реакторах проводят, в основном, процессы с небольшим тепловым эффектом, чтобы не было перегрева катализатора.

При исследовании процесса в адиабатическом реакторе нам понадобятся величины адиабатического разогрева и условного времени контакта.

1. Адиабатический разогрев смеси.

Для адиабатического реактора справедливо соотношение, связывающее температуру и степень превращения в слое:

,

где  исходная концентрация реагента, мольные доли;  адиабатический разогрев смеси, град.;  температура на выходе и на входе реактора соответственно, град.;  степень превращения исходного реагента на выходе и на входе реактора; с_р – теплоёмкость газовой смеси, Дж/моль/град.; тепловой эффект реакции, Дж/моль.

2. Условное время контакта .

Условное время контакта (в дальнейшем время контакта) равно отношению объема катализатора к объемной скорости газового потока либо отношению длины слоя катализатора к линейной скорости потока.

Типичный температурный профиль по длине слоя в адиабатическом реакторе для реакции вида A + B  C + D приведен на рис. 4. при следующих параметрах процесса:

 весовой расход реакционной смеси (G) = 4,5 кг/с;

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

 диаметр аппарата (D_аp) = 2,53 м;

 порозность слоя () = 0,4;

 давление (Р) = 1 атм;

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

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

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

 диаметр зерна катализатора (d_p) = 1мм;

 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.

Температура, достигнув максимального значения на длине примерно 0,4 м, остается такой же и на выходе из слоя. Это происходит потому, что на длине 0,4 м практически все исходное вещество прореагировало (рис. 5).

При уменьшении длины слоя превращение будет неполным, величина времени контакта при этом уменьшится. Так, при длине

Рис. 4. Температурный профиль по длине слоя. С_Aⁱⁿ = 4,5 об. %,

G = 4,5 кг/с

Рис. 5. Концентрационные профили по длине слоя. 1 – С_A, 2 – C_C,

3  C_D, 4 – C_B, С_Aⁱⁿ = 4,5 об. %, G = 4,5 кг/с

0,2 м степень превращения реагента (Х_out) = 45,81 %, а максимальная температура (Т_мах) = 330,35^оС.