Třífázové trubkové reaktory se zkrápěným ložem katalyzátoru Předmět: Vícefázové reaktory Jméno: Veronika Sedláková
3-fázové reakce Autoklávy (diskontinuální) Trubkové reaktory (kontinuální) Probublávané reaktory Zkrápěné reaktory Zkrápěné reaktory Organické a palivářské technologie Odsiřování ropných frakcí Odstranění acetylénických sloučenin ze směsí Rafinační hydrogenace alkoholů
Výhody a nevýhody oproti promíchávaným reaktorům Jednoduchá konstrukce Nižší provozní náklady Snadnější kontinualizace Separace katalyzátoru z reakční směsi Nároky na katalyzátor
Přenosové jevy Přenos H 2 z g do l Přenos H 2 a substrátu v tekoucím filmu kapaliny po vnějším povrchu katalyzátoru a v meniscích kapaliny Difúzní přenos komponent a produktů vnitřním povrchem katalyzátoru
Přenosové jevy (1) Přenos H 2 v g Přenos H 2 z g k fázovému rozhranní l - g Turbulence Přítomnost inertu, páry látek kapalné fáze Bez přítomnosti turbulence: D g» D l (přenos H 2 molekulární difúzí)
Přenosové jevy (2) Přenos H 2 ve filmu l tekoucí po vnějším povrchu katalyzátoru Částice katalyzátoru obklopena filmem kapalné reakční směsi, který stéká po jejím povrchu H 2 difunduje k povrchu katalyzátoru H 2 překonává odpor přenosu hmoty
Přenosové jevy (3) Přenos hmoty v meniscích kapaliny Meniskus kapaliny v oblastech styku dvou sousedních částic katalyzátoru Objem menisků závisí na Bondově kritériu: N Bo =ρgr 2 /σ ρ hustota kapaliny [kg/m 3 ] g gravitační zrychlení [m/s 2 ] R poloměr částice kat. [m] σ povrchové napětí [kg/s 2 ]
Přenosové jevy (5) Určení celkového odporu přenosu hmoty v loži zkrápěného reaktoru Experimentálně Reakční rychlost naměřená ve zkrápěném reaktoru se porovná s promíchávaným (bez vlivu vnější difúze reakčních komponent) Stanovení závislosti reakční rychlosti na rozměru zrna katalyzátoru R stupeň využití vnitřního povrchu katalyzátoru účinnost systému vzhledem k vnější difúzi
Parametry ovlivňující režim zkrápěného reaktoru (1) Konstrukce reaktoru Průměr a délka trubek Počáteční distributor kapaliny Umístění redistributorů kapaliny Možnost a účinnost výměny tepla s okolím Vlastnosti katalyzátoru Průměr tablety katalyzátoru Aktivita a mechanická pevnost katalyzátoru Distribuce aktivní složky v tabletě katalyzátoru
Parametry ovlivňující režim zkrápěného reaktoru (2) Řídící parametry reaktoru Vstupní teplota g a l fáze Pracovní tlak v reaktoru Rychlost nástřiku kapalného substrátu Koncentrace substrátu v rozpouštědle Průtok H 2 Množství katalyzátoru v reaktoru Intenzita výměny tepla
Parametry ovlivňující režim zkrápěného reaktoru (3) Vlastnosti chemické reakce Reakční rychlost Řád reakce Reakční teplo Aktivační energie Fyz.-chem. vlastnosti reakční směsi Molární tepla Difúzní koeficienty Tepelné vodivosti
Vlastnosti katalyzátoru Mechanická pevnost a odolnost vůči erozi kapalinou Tabletový nebo granulovaný katalyzátor nízký stupeň využití vnitřního povrchu nosičové katalyzátory s povrchově nanesenou aktivní složkou Nosiče: silikagel, křemelina, Al 2 O 3
Tok l a g neuspořádaným ložem katalyzátoru Účinnost a výkon reaktoru ovlivňuje: Distribuce l (nerovnoměrná distribuce, stěnový tok, tok ve stěnové oblasti) konstrukce distributoru polohy redistributorů Množství l ve stěnové oblasti závisí na: d p /d T, L, počáteční distr. l, smáčivosti stěny reaktoru, pórovitosti katalyzátoru, hustotě, viskozitě reakční směsi, Závislost stěnového toku l na délce lože reaktoru 1 centrální zdroj 2 rovnoměrný zdroj 3 stěnový zdroj
Teplota nástřiku reakční směsi T výkon reaktoru Vypaření l je provázeno hysterézním chováním systému (většinou nežádoucí) Závislost reakční rychlosti hydrogenace cyklohexenu v roztoku cyklohexanu na teplotě I vypaření reakční směsi ll zpětná kondenzace reakční směsi Vypaření zabráním: p celk, c substr., účinným chlazením Vypaření usnadním: průtoku H 2, rychl.nástřiku l
Koncentrace substrátu v nástřiku Hydrogenace v l vzhledem k substrátu 0.řád výkon reaktoru nezávisí na c substr. V loži se tvoří teplotní gradienty c substr. T ad výkon reaktoru Závislost konverze výchozí látky na kinetické souřadnici W/F při konstantní rychlosti průtoku l ---- promíchávaný reaktor za stejných podmínek 1 L = 3cm, 2 L = 5cm, 3 L = 10cm Rovnoměrnější distribuce l v loži katalyzátoru odpor přenosu hmoty vně zrna katalyzátoru výkon reaktoru
Tlak a průtok H 2 Obecně p r výkon (ale i nároky na odvod tepla) p rychlost reakce ale i rychlost difúze látek k aktivnímu povrchu katalyzátoru zhoršení selektivity procesu průtok g turbulence tekoucí l výkon průtok g náklady na cirkulaci g vlivem tlakové ztráty lože katalyzátoru volíme optimální řešení
Průtok kapalné fáze průtok l síla tekoucího filmu l difúzní odpor výkon reaktoru průtok l turbulence l výkon reaktoru výkon reaktoru je na průtoku l nepatrně závislý Vysoký průtok l dále způsobuje: Vyšší eroze lože katalyzátoru Nižší konverze a tím vyšší nároky na separace a cirkulace
Shrnutí Chování reaktoru je ve většině případů silně ovlivněno difúzním přenosem látek Výkon Vyšší turbulence Menší rozměry katalyzátoru Vyšší tlak vodíku Teplota nástřiku a koncentrace substrátu (jejich vysoké hodnoty jsou nepříznivé dezaktivace katalyzátoru) Nerovnoměrný tok kapalné fáze ložem katalyzátoru Existence stěnového toku Vytváření mrtvých prostor v loži katalyzátoru