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

Podobné dokumenty
Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Roman Snop

Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru. Předmět: Vícefázové reaktory Jméno: Veronika Sedláková

Vícefázové reaktory. Probublávaný reaktor plyn kapalina katalyzátor. Zuzana Tomešová

Autokláv reaktor pro promíchávané vícefázové reakce

2. Úloha difúze v heterogenní katalýze

Reaktory pro systém plyn-kapalina

Intenzifikace, bezpečné řízení a provozování průmyslových zkrápěných reaktorů

10. Chemické reaktory

2.4 Stavové chování směsí plynů Ideální směs Ideální směs reálných plynů Stavové rovnice pro plynné směsi

MODELOVÁNÍ. Základní pojmy. Obecný postup vytváření induktivních modelů. Měřicí a řídicí technika magisterské studium FTOP - přednášky ZS 2009/10

5. CHEMICKÉ REAKTORY

Fentonova oxidace ve zkrápěném reaktoru za kontinuálního a periodického nástřiku

Reaktory pro systém plyn kapalina

Možnosti intenzifikace etážového reaktoru se zkrápěnou vrstvou katalyzátoru

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

5.4 Adiabatický děj Polytropický děj Porovnání dějů Základy tepelných cyklů První zákon termodynamiky pro cykly 42 6.

9 Charakter proudění v zařízeních

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

Fyzikální chemie. Magda Škvorová KFCH CN463 tel února 2013

TERMOMECHANIKA 15. Základy přenosu tepla

2. KINETICKÁ ANALÝZA HOMOGENNÍCH REAKCÍ

Aplikované chemické procesy. Heterogenní nekatalyzované reakce

PLYNOVÁ CHROMATOGRAFIE (GC)

VI. Nestacionární vedení tepla

Při reálném chromatografickém ději nikdy nedojde k ustavení rovnováhy mezi oběma fázemi První ucelená teorie respektující uvedenou skutečnost byla

Přednáška 2. Martin Kormunda

Teorie transportu plynů a par polymerními membránami. Doc. Ing. Milan Šípek, CSc. Ústav fyzikální chemie VŠCHT Praha

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

pevná látka tekutina (kapalina, plyn) (skripta str )

Destilace

Počítačová dynamika tekutin (CFD) Základní rovnice. - laminární tok -

Fotokatalytická oxidace acetonu

TERMOMECHANIKA PRO STUDENTY STROJNÍCH FAKULT prof. Ing. Milan Pavelek, CSc. Brno 2013

IDEÁLNÍ PLYN. Stavová rovnice

Metody separace. přírodních látek

Vícefázové reaktory. MÍCHÁNÍ ve vsádkových reaktorech

Bezpečnost chemických výrob N111001

102FYZB-Termomechanika

TECHNOLOGICKÉ PROCESY A APARÁTY

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

PROCESY V TECHNICE BUDOV 11

Základy chemických technologií

Kapaliny Molekulové vdw síly, vodíkové můstky

U218 - Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. ! t 2 :! Stacionární děj, bez vnitřního zdroje, se zanedbatelnou viskózní disipací

U218 Ústav procesní a zpracovatelské techniky FS ČVUT v Praze. Seminář z PHTH. 3. ročník. Fakulta strojní ČVUT v Praze

kde k c(no 2) = 2, m 6 mol 2 s 1. Jaká je hodnota rychlostní konstanty v rychlostní rovnici ? V [k = 1, m 6 mol 2 s 1 ]

N_SFB. Stavebně fyzikální aspekty budov. Přednáška č. 3. Vysoká škola technická a ekonomická V Českých Budějovicích

6. Stavy hmoty - Plyny

Bezpečnost chemických výrob N Petr Zámostný místnost: A-72a tel.:

Molekulová fyzika a termika. Přehled základních pojmů

Kondenzace brýdové páry ze sušení biomasy

Zákony ideálního plynu

LABORATOŘ OBORU I. Testování katalyzátorů pro přípravu prekurzorů vonných látek. Umístění práce:

Základy chemických technologií

UČIVO. Termodynamická teplota. První termodynamický zákon Přenos vnitřní energie

Vysokoúčinná kapalinová chromatografie. Petr Kozlík Katedra analytické chemie

Tepelná vodivost. střední rychlost. T 1 > T 2 z. teplo přenesené za čas dt: T 1 T 2. tepelný tok střední volná dráha. součinitel tepelné vodivosti

MATEMATICKÝ MODEL PŮDNÍHO BIOREAKTORU V PROSTŘEDÍ MATLAB A FEMLAB. Marta Palatová, Miloš Kmínek, Jana Finkeová

ZÁKLADY STAVEBNÍ FYZIKY

Mol. fyz. a termodynamika

Úloha 1-39 Teplotní závislost rychlostní konstanty, reakce druhého řádu... 11

rtuť při 0 o C = 470 mn m 1 15,45 17,90 19,80 21,28

na stabilitu adsorbovaného komplexu


Cvičení 4 Transport plynné a kapalné vody. Transport vodní páry porézním prostředím

MÍSENÍ MÍSENÍ JE REVERZIBILNÍ PROCES. Mísení a segregace sypkých hmot INŽENÝRSTVÍ FARMACEUTICKÝCH

PŘENOS VÝSLEDKŮ Z LABORATOŘE

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

4.Mísení, míchání MÍCHÁNÍ

ÚSTAV ORGANICKÉ TECHNOLOGIE

Průtokové metody (Kontinuální měření v proudu kapaliny)

Plyn. 11 plynných prvků. Vzácné plyny. He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn Diatomické plynné prvky H 2, N 2, O 2, F 2, Cl 2

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport kapalné vody

5. PRŮTOČNÉ HOMOGENNÍ REAKTORY

2 - Kinetika sušení vybraného materiálu (Stanice sušení)

Bilan a ce c zák á l k ad a ní pojm j y m aplikace zákonů o zachování čehokoli

Separační metody v analytické chemii. Plynová chromatografie (GC) - princip

9. Chemické reakce Kinetika

Metody termické analýzy. 4. Diferenční termická analýza (DTA) a diferenční scanovací kalorimetrie (DSC)

STANOVENÍ VLASTNOSTÍ AERAČNÍCH ZAŘÍZENÍ

Základy vakuové techniky

5. Stavy hmoty Kapaliny a kapalné krystaly

TERMOMECHANIKA 1. Základní pojmy

Úloha 3-15 Protisměrné reakce, relaxační kinetika Úloha 3-18 Protisměrné reakce, relaxační kinetika... 6

Fyzikální učebna vybavená audiovizuální technikou, interaktivní tabule, fyzikální pomůcky

Osnova pro předmět Fyzikální chemie II magisterský kurz

Teplota jedna ze základních jednotek soustavy SI, vyjadřována je v Kelvinech (značka K) další používané stupnice: Celsiova, Fahrenheitova

MODELOVÁNÍ MIGRAČNÍCH SCHOPNOSTÍ ŽELEZNÝCH NANOČÁSTIC A OVĚŘENÍ MODELU PŘI PILOTNÍ APLIKACI

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM tepelně-fyzikální parametry

12. Elektrochemie základní pojmy

Rychlost chemické reakce A B. time. rychlost = - [A] t. [B] t. rychlost = Reakční rychlost a stechiometrie A + B C; R C = R A = R B A + 2B 3C;

Ing. Radovan Nečas Mgr. Miroslav Hroza

Termomechanika 6. přednáška Doc. Dr. RNDr. Miroslav Holeček

KATEDRA MATERIÁLOVÉHO INŽENÝRSTVÍ A CHEMIE. 123TVVM transport vodní páry

1141 HYA (Hydraulika)

CHROMATOGRAFIE ÚVOD Společný rys působením nemísících fází: jedna fáze je nepohyblivá (stacionární), druhá pohyblivá (mobilní).

Transportní jevy v plynech Reálné plyny Fázové přechody Kapaliny

Krevní oběh. Helena Uhrová

MENSA GYMNÁZIUM, o.p.s. TEMATICKÉ PLÁNY TEMATICKÝ PLÁN (ŠR 2017/18)

Do známky zkoušky rovnocenným podílem započítávají získané body ze zápočtového testu.

Transkript:

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

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

Schématický řez tekoucím filmem s vyznačeným souřadnicovým systémem

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

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

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.

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

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

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]

Analytické řešení 2 1 2 / )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

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

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

Příklad naměřeného teplotního profilu

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

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

Experimentální výsledky

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

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

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

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

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

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

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

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

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