Опис реактора з адіабатичним шаром каталізатора

 

Реактор з адіабатичним шаром каталізатора може бути одношаровим або мати декілька послідовно розташованих шарів. В останньому випадку частина теплоти, що виділяється в результаті хімічної реакції, знімається в міжшаровому просторі одним з відомих способів - подачею «холодного» байпасу або в проміжних теплообмінниках.

Вихідна газова суміш поступає на полку з адіабатичним шаром, де хімічний процес проходить без теплообміну з навколишнім середовищем. На виході з шару температура не повинна перевищувати максимально припустиму за умовами термостійкості для даного каталізатора.

В процесі окислення метанолу у формальдегід проходять дві послідовні реакції:

 

СH₃OH + O₂ = CHOH + H₂O + (-∆H₁) (А)

СHOH + O₂ = CO + H₂O + (-∆H₂) (В)

 

Енергія активації першої реакції помітно більша, ніж побічної. Для цього випадку оптимальним режимом є ізотермічний режим при максимально припустимій температурі. Тому в реальних реакторах необхідно підібрати такі умови проведення процесу, які дозволять максимально наблизитися до теоретично оптимального режиму. У нашому випадку допустимий температурний діапазон роботи 220¸355 °С.

Для багатошарового реактора з метою рівномірної роботи шарів каталізатора процес в більшості випадків доцільно проводити так, щоб ступінь перетворення в кожному з шарів був приблизно однаковий:

 (3.1)

 

Число необхідних шарів каталізатора можна визначити по формулі:

 

 (3.2)

 

де ДТ_ад - температура адіабатичного розігріву; ДТ_пр =  -Т - обрана зміна температури в одному шарі каталізатора.

 

ДТ_пр =  - Т = 380-220 = 160 К.

 

У технічних розрахунках адіабатичний розігрів процесу визначають за допомогою наступної формули:

 

 (3.3)

 

де ДН_р - зміна ентальпії реакції, кДж/моль; С₀ - початкова концентрація вихідного компонента на вході в реактор при Х=0, моль/м³; С_р - питома теплоємкість суміші, кДж/(кг·К); с - щільність суміші, кг/м³. Для процесу окислювання метанолу у формальдегід ДН_р =160 кДж/моль; С_р=1,01 кДж/(кг·К); с=1,29 кг/м³.

Для розрахунку процесу в адіабатичному шарі каталізатора використовується програма «Адіабатичний реактор». [2]

Конструктивно адіабатичні реактори виконуються у вигляді циліндричної шахти більшої або меншої висоти. Іноді використовують корпус сферичної форми, при який металоємкість апарату зменшується. Каталізатор розташовується на решітці і шарі інертної насадки, яка перешкоджає його просипанню крізь решітку. Важливе значення для роботи адіабатичних реакторів має вхідний розподільчий пристрій, задачею якого є рівномірний розподіл газового потоку по перетину реактора. Недосконалість цього пристрою призводить до нерівномірної роботи шару каталізатору по діаметру і висоті, до погіршення показників процесу.

До переваг адіабатичних реакторів відноситься:

) повне використання об'єму ректора;

) простота конструкції і зручність у використанні;

) невелика металоємкість.

До недоліків таких реакторів слід віднести:

) обмеженість застосування тільки у процесах у яких адіабатичний перепад температур не дуже великий і не призводить до переходу процесу у область неприпустимо низьких або високих температур;

) неможливість здійснення оптимального або близького до нього температурного профілю по висоті шару каталізатору;

) важке здійснення рівномірного розподілу подачі газу на шар каталізатора і однорідної роботи шару по перетину, яке збільшується зі збільшенням перетину апарата.

Забезпечити максимально можливу ефективність процесу при заданих обмеженнях на його стабільність - задача, яка розв’язується на основі аналізу математичного опису хімічного реактору. Математична модель повинна враховувати основні фізико-хімічні процеси, які найбільш впливають на характеристики процесу в цілому. При розрахунку стаціонарного режиму в нерухомому адіабатичному шарі каталізатору у випадку, коли діаметр реактору більший висоти шару каталізатора, враховується перенос речовини з потоком, вплив хімічної реакції. Стаціонарний режим в адіабатичному реакторі описується моделлю ідеального витиснення, (опис моделі зроблений в п.5).