Výzkum vlivu přenosových jevů na chování reaktoru se zkrápěným ložem katalyzátoru. Petr Svačina

Rozměr: px

Začít zobrazení ze stránky:

Download "Výzkum vlivu přenosových jevů na chování reaktoru se zkrápěným ložem katalyzátoru. Petr Svačina"

Adéla Bednářová
před 5 lety
Počet zobrazení:

1 Výzkum vlivu přenosových jevů na chování reaktoru se zkrápěným ložem katalyzátoru Petr Svačina

2 I. Vliv difuze vodíku tekoucím filmem kapaliny na průběh katalytické hydrogenace ve zkrápěných reaktorech Modelová představa předpoklady 1. Reaktor pracuje v ustáleném, izotermním a izobarickém režimu všechny fyzikální parametry jsou konstantní 2. Tok kapaliny po vnějším povrchu katalyzátoru je laminární a nedochází k tvorbě vln na povrchu filmu 3. Kapalina přitéká na začátek reaktoru dokonale promíchána s počáteční koncentrací vodíku v reakční směsi c 4. Zanedbatelně malý odpor přenosu hmoty v plynné fázi rovnovážná hodnota koncentrace rozpuštěného vodíku ve všech místech filmu na rozhraní kapalina-plyn 5. Nevratná reakce 1. řád vzhledem k vodíku,. řád vzhledem ke koncentraci hydrogenovaného substrátu

3 Schématický řez tekoucím filmem s vyznačeným souřadnicovým systémem

4 Z hmotové bilance elementu objemu filmu 2 C 2 X Okrajové podmínky: C C X, C, Y 1 C X X 1 2 C 1 X N P N Th C Pe 1, Y Y Konverze reakce probíhající na zkrápěné stěně X = x/s Y = y/l C = c/c* N Pe = w max s/d N Th = Ks/D P = s/l x * Kc bl F 1 C m Y dy Faktor účinnosti: 1 xf C m Y dy * Kc bl

5 Výsledek pro okrajovou podmínku C = 1 1. Difuzní oblast η <,1 N Th > 1 2. Přechodná oblast,1 < η <,9 3. Kinetická oblast η >,9 N Th <,1

6 Experimentální ověření Modelová reakce hydrogenace cyklohexenu na neporézním Pt kat. 1. řád k vodíku,. řád k cyklohexenu značí hypotetický kinetický režim reaktoru bez difuzního odporu přenosu vodíku Vliv rychlosti nástřiku na konverzi reakce. Délka aktivní vrstvy katalyzátoru L = 4,3 cm. Nástřik,84% cyklohexenu v methanolu. Teplota 25 C.

7 II. Sdílení tepla v loži katalyzátoru zkrápěného kapalinou Provozované reakce často značně tepelně zbarvené Vznik významných tepelných gradientů v loži katalyzátoru nebezpečí vzniku horkých zón dezaktivace katalyzátoru Modelová představa sdílení tepla ve válcové vrstvě částic bez chemické reakce Dva parametry: k e efektivní radiální tepelná vodivost h w koeficient sdílení tepla u stěny zařízení

8 Sdílení tepla ve zkrápěném loži 2. Experimentální ověření většina publikovaných dat měřena pro systém vodavzduch-skleněné kul. (keramická výplň) NEVHODNÉ PRO HYDROGENACE (tep. vod. H 2, povrchové napětí org. kapalin, pórovitá výplň) vhodné smáčená pórovitá výplň org. kapalina souproud H 2 zařízení: kolona s 32 termočlánky nástřik měřen v distributoru teplota stěny měřena v plášti

9 Modelová představa 2 T 1 T T LC pl GCpG ke 2 z r r r Okrajové podmínky: z = r T = T T z r = r z r = R k e T r h w T w T R r radiální souřadnice [m] T teplota nástřiku [K] T w teplota stěny [K] T R teplota lože u stěny (r = R) [K]

10 Analytické řešení / )1 ( exp / 2 1 Bi b b J b z Ab R r b J T T T T n n n n n W w k e R h Bi / pg pl e GC LC R k A 2 / b n jsou kořeny rovnice: ) ( ) ( 1 n n n b J b b BiJ

11 Určení parametrů k e a h w Platí-li podmínka: LC pl k e z GC pg,2 2 R pak ln T T w w 2 T keb1 b1 J( b1 )1 ( b1 / Bi) z ln 2 T LC GC R 2J b r / R pl pg 1 2 V semilogaritmické souřadnici vytvářejí podélné teplotní profily pro různé r svazek rovnoběžných přímek Vertikální vzdálenost teplotního profilu na souřadnici r od axiálního profilu (r = ): y ln J b1r / R určení kořene b 1

12 Určení parametrů k e a h w Efektivní tepelná vodivost vrstvy k e určena směrnicí svazku přímek Koeficient sdílení tepla u stěny: h w k e R b 1 J J 1 ( b ( b 1 1 ) ) ke = k + k L + k G k vodivost smočeného lože (nezávisí na hydrodynamických podmínkách) k L, k G konvektivní příspěvky způsobené radiálním promícháváním kapalné, respektive plynné fáze

13 Příklad naměřeného teplotního profilu

14 III. Rozdělení dob zdržení při zkrápění neuspořádaného lože pórovitého katalyzátoru měření axiální a radiální distribuce toku kapaliny v loži - přímé měření hustoty zkrápění v jednotlivých místech kolony, včetně periferií, kde se uplatňuje stěnový tok X měření distribuce dob zdržení kapaliny v systému - vhodné pro úzké kolony s nízkou hodnotou poměru d t /d p - poskytuje údaj o ustalování hydrodynamického režimu v loži - komplikace složitá distribuce kapaliny v axiálním a radiálním směru (existence oblastí preferovaného toku zkratové proudy) vliv konstrukce zdroje kapaliny na případné mrtvé prostory (suchá místa) v loži

15 Modelová představa měření časové závislosti koncentrace značkovací látky na výstupu skoková změna koncentrace značkovací látky na vstupu (křivka F) t x = t > x = 1 Střední doba zdržení kapaliny v systému: t 1 x( t) dt Zádrž kapaliny v loži vztažená na jednotku objemu lože: H Ft / V Redukovaný čas: T t / t

16 Experimentální výsledky

17 Experimentální výsledky nesymetrický charakter F křivky existence mrtvých prostorů - vnitřní póry částic katalyzátoru, menisky kapaliny - málo smočená místa na začátku lože přenos hmoty od hlavního proudu zejména prostřednictvím molekulární difúze hodnota zádrže prakticky nezávislá na průtoku kapalné fáze střední doba zdržení mírně stoupá se zmenšujícím se zrnem katalyzátoru existence stěnového toku

18 IV. Jednoduchý model adiabatického zkrápěného reaktoru Kaskáda sestávající z diferenciálních reaktorů (s pístovým tokem) a mísičů, doplněná obtokem reakční směsi Schéma matematického modelu s vyjádřením hmotnostních proudů

19 Předpoklady pro odvození modelu Konstantní poměr hlavního proudu k obtoku ve všech členech kaskády Stejný způsob mísení obou proudů v každém členu kaskády Stejná koncentrace v obou proudech na vstupu do prvního členu V kaskádě probíhá reakce nultého řádu za adiabatických podmínek Fyzikální vlastnosti reakční směsi a teplota hlavního proudu reakční směsi a obtoku jsou v daném místě kaskády stejné

20 Odvozené vztahy popisující model Celková hmotnostní bilance F A B Koncentrace substrátu v hlavním proudu C A, i1 A c A, i ybc B, i A yb Ar V / F i pro Ac ybc Ar V A, i B, i i / F jinak c A, i 1 Koncentrace substrátu v obtoku c B, i1 ( 1 y) cb, i yc A, i1 Střední koncentrace substrátu F c. i 1 Ac.. A, i1 B cb, i1

21 Odvozené vztahy popisující model Konverze reakce x i1 Teplota T c T c c i1 T i1 i ad i i1 x x Reakční rychlost r i r exp E RT ( T i T T i ) P B P P B ( T i ),61 - rovnice předpokládá. řád vzhledem k reagující složce a zlomkový řád vzhledem k parciálnímu tlaku vodíku

22 Odvozené vztahy popisující model Tenze par reakční směsi je funkcí teploty P ( T ) i P ( T H )exp RT V ( T i T T i ) Hodnoty veličin na vstupu do kaskády: c A, = c B, = c x = r(t ) = r

23 Řešení matematického modelu Závislost koncentrace výchozí reakční složky na pořadovém čísle členu kaskády

24 Jednoduchý model adiabat. zkráp. reaktoru (4) (porovnání s experimentem) hydrogenace cyklohexenu v cyklohexanu na Pd bezrozměrné veličiny C (rel. konc.) a z (rel. délka) dobrá shoda při velkém stěnovém toku a nízkém sdílení hmoty při vyšším sdílení hmoty rychlejší dosažení nulové konc. substrátu o F=,125 lh -1 F=,125 lh -1 y=,1 -- y=,25

25 Axiální teplotní profil v loži reaktoru Nižší naměřené teploty oproti matematickému modelu Příčiny: nedokonalá teplotní izolace reaktoru odvod reakčního tepla z lože proudícím vodíkem zkreslení částečným vypařováním kapalné reakční směsi podél reaktoru Model odpovídá naměřeným hodnotám za předpokladu nízké intenzity výměny hmoty, resp. tepla mezi stěnovým tokem a hlavním proudem Porovnání naměřených a vypočtených axiálních teplotních profilů F =,125 lh -1, y =,1, --- y = 1 Vhodný zejména pro reaktory malého průměru

Podobné dokumenty

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Roman Snop

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru Roman Snop Charakteristika Zkrápěné reaktory jsou nejvhodněji aplikovatelné na provoz heterogenně katalyzovaných reakcí. Nacházejí uplatnění