12.10.7 Основы расчета реакторов

Расчет реакторов для контактно-каталитических процессов заключается в определении основных размеров аппаратов и оптимальных режимов их эксплуатации. Эти данные могут быть получены приближенными и более точными методами, основанными на составлении адекватной математической модели процесса.

Прежде всего необходимо определить какая стадия сложной поверхностной реакции на катализаторе является определяющей, поскольку от этого зависит характер расчетных формул.

Взаимодействие газообразных реагентов на поверхности твердого катализатора состоит из следующих стадий:

1) подвод реагентов, из потока к поверхности катализатора конвективной диффузией;

2) перенос реагентов внутри пор катализатора молекулярной диффузии;

3) адсорбция реагентов на поверхности катализатора;

4) химическая реакция;

5) десорбция продуктов реакции с поверхности катализатора;

6) перенос продуктов реакции к поверхности катализатора;

7) отвод продуктов реакции от поверхности катализатора в поток газа.

При установившемся каталитическом процессе количество подводимого вещества в единицу времени равно количеству вещества, вступающего в химическую реакцию т.е. скорости этих процессов равны между собой

, (12.67)

Рассмотрим соотношение скоростей химической реакции и диффузии на примере необратимой реакции первого порядка. При этом

, (12.68)

где - концентрация газа в потоке газа; - концентрация газа на поверхности катализатора

, (12.69)

Таким образом, общее сопротивление при химическом превращении складывается из диффузионного сопротивления и сопротивления протеканию химической реакции.

Скорость химической реакции не зависит от гидродинамики, а зависит от скорости диффузии, поэтому исходя из уравнения:

, (12.70)

Рисунок 205 - Зависимость выхода продукта от удельной производительности катализатора.

если , то процесс идет в кинетической области, а если , то в диффузионной или переходной.

Помимо области протекания реакции при расчете контактных аппаратов необходимо учитывать следующие факторы:

1) тепловой эффект и зависимость скорости реакции от температуры;

2) наличие побочных реакций;

3) изменение объемов реагентов.

Многообразие факторов, влияющих на реакцию, вызывает и многообразие методов расчета контактных аппаратов.

Расчет удельной производительности

Адиабатический расчет реактора для реакций, протекающих в кинетической области

Расчет адиабатического реактора для реакций, протекающих в диффузионной области

Расчет реактора с теплообменной поверхностью, имеющей постоянную температуру

Графический метод расчета

Гидравлическое сопротивление слоя катализатора