Масштабирование с неподвижным слоем катализатора процессов катализа
Новый параметр представил здесь, способны принести более ощутимые результаты, когда с неподвижным слоем реактора расширить для процесса развития или сократили на заводе поддержки.
(ProQuest-CSA LLC: ... означает формулы опускается.)
Разукрупнение химический процесс более сложен, чем растяжение. Масштабирование ссылается на проектирование опытно-промышленной установки для достаточно широких пределах операционной, в то время как уменьшить размер экспериментального завода предназначен для дублирования или имитировать особенностью существующие коммерческие предприятия. Процесс развития предполагает растяжение; завод поддержка включает разукрупнения.
Требует, чтобы уменьшить размер массовой скорости передачи экспериментального завода он эквивалентные тем коммерческие предприятия. Разукрупнение особенно трудно в связи с fixedbed катализатором процессов.
С момента публикации Хоген и классические объем Ватсона "Химический процесс принципов: кинетика и катализ" в 1947 году (л), параметр, используемый для расширения каталитического и некаталитического с неподвижным слоем катализатора процессов была в пространстве скоростей. Пространство скорость определяется как процесс, объемный расход (м ^ ^ SUP 3 / ч), деленная на объем (м ^ ^ SUP 3) из твердого материала, через которые потоки технологической среды. Его группировки H ^ ^ -1 SUP, которая имеет ту же размерность, как первого порядка константа скорости реакции.
Эта эквивалентность между физическим временем и обратной время химической реакции, обратной Обычно это делается при масштабировании с неподвижным слоем катализатора процесса. Однако, эти два обратных раз только эквивалентны, если процесс скорости реакции ограничены. Они не являются эквивалентными это процесс диффузии курса ограничены. Меры, связанные с неподвижным слоем катализатора процесса реакции первого порядка иллюстрировать это различие.
Рисунок 1 представляет собой схематическое изображение катализа пористого твердого тела. Когда жидкости по твердой поверхности, формы пограничного слоя вдоль этой поверхности. Вязкого течения происходит в этом пограничном слое. Мало или нет конвективных массовых перевозок происходит в пограничном слое.
Такой пограничный слой называется застойной фильма. Концентрации реагентов на границе между объемом жидкости и застойных фильм так же, как концентрация реагента в канале. Движение от реагентов stagnantfilm навалочных жидкости интерфейс к поверхности катализатора происходит за счет молекулярной диффузии, которая обычно описывается линейным разница концентрации C ^ югу BF-C ^ ^ SF к югу, где C ^ ^ к югу SF является концентрация реагентов на поверхности катализатора и C ^ ^ к югу BF-концентрация реагирующего вещества в жидкости туши (как в моль / м ^ 3 ^ SUP).
Реагента должны затем диффундируют с поверхности calalyst вдоль поры каталитического объекты внутри твердого тела. Движение реагента в поры и молекулярной диффузии и моделируется как линейная разница концентрации. Каталитический сайты существуют по всей длине поры, поэтому концентрации реагентов является функцией длины пор - то есть, уменьшение концентрации реагентов по длине поры.
Концентрации реагентов на данном сайте катализатора C ^ ^ к югу AS. Разность концентраций в этот момент в поры C ^ югу SF ^ - C ^ ^ к югу AS. Равновесие может быть установлен на каталитического центра, в этом случае концентрации реагентов в равновесии обозначается C ^ ^ к югу эквалайзера.
По словам первого порядка, кинетика, реагентов скорость преобразования, R ^ ^ к югу Rxn, это:
R ^ югу Rxn = K ^ югу Rxn ^ (C ^ югу AS ^ - C ^ ^ к югу эквалайзер) (1)
где А ^ ^ к югу Rxn, константа скорости конверсии реагентов при каталитическом сайте (ч ^ -1 ^ SUP).
Скорость движения по реагента пор, R ^ ^ к югу PD, это:
R ^ югу PD = K ^ югу PD ^ (р ^ к югу ^ / V ^ югу р) (C ^ ^ к югу SF-C ^ ^ к югу AS) (2)
где А ^ ^ к югу PD-масса константы скорости переноса (м / ч), р ^ ^ к югу является площадь поперечного сечения поры (м ^ 2 SUP ^) и V ^ югу р среднее пор объем (м ^ SUP 3 ^).
Скорость движения реагентов через застойных фильм окружающие зерна катализатора, R ^ ^ к югу SF, это:
R ^ югу SF = К ^ ^ к югу SF (S / V) (C ^ югу BF ^ - C ^ ^ к югу SF) (3)
где А ^ ^ к югу SF-масса константы скорости переноса (м / ч), S является внешней поверхности зерна катализатора (м ^ 2 ^ SUP) и V-объем зерна катализатора (м ^ 3 SUP ^).
Только концентрации реагентов известно с какой-либо точности C ^ ^ BF к югу и к югу C ^ ^ эквалайзера. Таким образом, математическое выражение для скорости реагента преобразования, которые должны быть в терминах C югу ^ ^ и BF C ^ ^ к югу эквалайзер, получается за счет пересмотра формул. 1-3:
... (4)
Полагая R ^ югу Rxn = R ^ югу PD = R ^ ^ SF к югу, после дальнейшего перераспределения уравнения. 4 вид:
... (5)
В целом, или глобальных, константа скорости реакции. К ^ к югу Глобальный ^ (Н ^ ^ -1 SUP), определяется следующим образом:
... (6а)
которое может быть обращено на:
... (6b)
Уравнение 6B имеет ту же форму в виде серии резисторов в электрической цепи. Таким образом, инженеры-химики кредитовать говорить с точки зрения общей устойчивости к реагента потребления (например, производства образования), которое представляет собой 1 / А ^ ^ к югу глобальной. Часть общего сопротивления отнести к химической реакции 1 / подпункт А ^ ^ Rxn. Пора диффузионное сопротивление и сопротивление диффузии фильма представлены 1 / [к ^ к югу PD ^ (р ^ к югу ^ / V ^ югу р)] и 1 / [А ^ ^ к югу SF (S / V)], соответственно.
Уравнение 6B может быть упрощена и сводится к:
1 / к ^ к югу Глобальный = 1/
где
...
Таким образом, общая устойчивость к образованию продукта представляет собой сумму двух сопротивлений: 1, связанных с кино диффузии, другой поры диффузии и реакции, вместе взятых. Если K ^ югу PD ^ (р ^ к югу ^ / V ^ югу р)> А ^ ^ Rxn к югу, то Если K ^ югу PD ^ (р ^ ^ к югу / к югу V ^ р)
Для диффузионной скорости ограниченный процесс, скорость потребления реагентов:
R ^ югу Diff = K ^ югу Глобальный ^ C ^ ^ к югу BF (9)
и скорости реакции ограниченный процесс, скорость потребления реагентов:
R ^ югу Rxn = K ^ югу Rxn ^ C ^ ^ к югу BF (10)
Оба химические процессы описываются уравнением первого порядка. Однако следует отметить, что к югу ^ ^ Rxn имеет размерность обратного времени химической реакции, а к югу ^ ^ Глобальный имеет размерность обратной физического времени.
Баланса массы реакция:
DW / F = дС ^ ^ к югу BF / R (11)
где W является общий объем катализатора (м ^ ^ SUP 3), F представляет собой процесс объемного расхода (м ^ ^ SUP 3 / ч) и R является скорость потребления реагентов (моль / м ^ 3 SUP ^-ч).
Для фиксированной кровати, катализатором процесса химического вещества, скорости реакции ограничены, уравнения. 10 подставить в уравнение. 11, а для диффузионной скорости ограниченный процесс, формула. 9 подставляется в уравнение, 11, в доход:
-К ^ ^ к югу Rxn (W / F) ^ Rxn югу = (C ^ югу BF, Out ^ / C ^ югу BF, В ^) (12а)
к югу от K ^ ^ Глобального (W / F) ^ Diff югу = В (C ^ югу BF, Out ^ / C ^ югу BF, В ^) (12, б)
Заметим, что (W / F) ^ ^ к югу Rxn обозначает пространство скорости скорости реакции ограниченных химических процессов и (W / F) ^ ^ Diff югу обозначает пространство скорости диффузии курса ограниченных химических процессов. Предполагая, что правые части уравнений. 12а и 12B равны, заменив на 1 / к югу К ^ ^ глобальной, а затем выполняет необходимые алгебраические дает упрощение:
... (13)
Таким образом, чтобы получить тот же реагент преобразования объемной скорости диффузии курса ограниченных химических процессов должно быть больше, чем Tor космической скоростью эквивалентной скорости реакции ограниченный процесс. Это потому, что реагент преобразования в диффузионной скорости ограниченный процесс, зависит от физических ставки, т. е. обратным физического времени, тогда как реагент преобразования в скорости реакции ограниченного процесса зависит от кинетической ставки, т. е. обратное время химической реакции.
Новый параметр масштабирования
Пространство скорости могут быть использованы для расширения только те, с неподвижным слоем катализатора процессов, скорости реакции ограниченными. Когда процесс диффузии курса ограничен, то Flou режима между двумя весы должны соответствовать для того, чтобы застойных фильм окружающих катализатор той же толщины на каждом уровне.
Толщина застойных фильм окружающих твердого предмета в потоке жидкости зависит от линейной скорости потока жидкости прошлым твердого предмета (2). Термин к югу ^ ^ SF (S / V) связана с линейной скоростью туши жидкости, проходящей через катализатором массового или кровать, через отношения ChiltonCoburn (3). Стэнтона, к югу SF ^ ^ г / G, является эмпирической зависимости от числа Рейнольдса, г ^ к югу р G
Стэнтон и Шмидта объединены в срок, известный как J ^ югу D ^)-фактор:
... (14)
где S ^ ^ к югу Eff / V является эффективной поверхностной площади к общей объему и S ^ ^ Итого / V является всего-внешней площади к общей объему гранул.
Thej ^ югу D ^-фактор может быть связан с числом Рейнольдса по:
J ^ югу D = (0,455 /
где
Объединяя уравнения. 14 и 15, и перестановки, получим:
... (16)
G /
К ^ к югу SF ^ (S ^ ^ к югу Eff / V) = V ^ ^ SUP п /
где п счетов за различные характеристики твердых calalysl и 1 / ^
Подставляя V ^ ^ SUP п / 7, получаем:
1 / к ^ к югу Глобальный = 1/
Построение 1 / подпункт А ^ ^ Глобальной / как функция 1 / х дает прямую линию с перехватить равно 1/
На основе этих соотношений, п 0,6, однако, п можно найти методом проб и ошибок (3). Значение п, что приводит к наилучшим образом подходит для данных будет использоваться в последующих расчетах.
Информационное содержание уравнения. 18 можно увидеть гип letling п = 1, как показано на рисунке 2. Горизонтальной линии, проходящей через точку пересечения разграничивает сопротивление реагента потребления за счет диффузии из фильма из-за сопротивления пор диффузии и реакции, вместе взятых.
Рисунок 2 показывает также опоры, на которой сопротивление пленки равняются сопротивления из-за поры диффузии и реакции. С левой стороны, что опоры, химического процесса поры-диффузия-скорости ограничен и скорости реакции ограниченный, справа, это фильм-диффузия-скорости ограничены.
Разработка экспериментальных установок и программ, катализатором развития
3 приведены обобщенные мнение о роли fixedbed реакторов различных размеров. В целом, преобладающим сопротивления в опытно-промышленной установки с неподвижным слоем реактор будет фильм диффузии, а в коммерческих реакторов с неподвижным слоем катализатора будет либо пор диффузии или, реже скорости реакции.
Когда растяжение, это переход от преимущественно фильм-диффузия-скорости ограничены (в целом) поры-диффузия-курс ограниченными происходит в результате высокой объемный расход жидкости через катализатором массового составе коммерческих fixedbed реактора. Таким образом, расход реагента будет быстрее в коммерческих масштабах, чем в масштабах опытной.
Аналогичный сдвиг происходит тогда, когда процесс сокращения одного из коммерческих реактора реакторной установки пилота. Это эквивалентные космической скоростью, что и коммерческие реактор используется для разработки экспериментального реактора простой, то преобладающим сопротивление реагента потребление будет смещаться с пор-диффузия-курс ограниченный (или скорости реакции ограниченный) к кино-диффузия- Руте-ограничены. Это имеет большое влияние на результаты научной программы, для которых опытный завод строят. Сокращенных пилотных установок созданы для решения технологических проблем или разработки новых катализа. Это процесс проблемы, связанные с кино сопротивление, то такая экспериментальная установка будет полезен, однако, если технологических проблем, не связанных с кино диффузии, то опытный завод будет производить ложных и вводящих в заблуждение информации.
Что касается повышения производительности катализатора, ситуация более тяжелая. Если коммерческий процесс reactionrate ограниченной, а затем увеличить объем потребления реагентов, площадь поверхности катализатора должны быть увеличены или активного компонента катализатора должны быть изменены или изменены. Если коммерческий процесс поры-диффузия-ratelimited, то средний диаметр пор и распределение пор по размерам должна быть oplimized и диаметр гранул катализатора должны быть сокращены. Тем не менее, оценки этих параметров катализатором изменений в кино-диффузия-курс ограниченный экспериментальный реактор дает никакой корреляции между скоростью потребления реагента и катализатора изменений параметров.
Экспериментальный завод меры скорость, с которой движется по реагента застойных фильм окружающих гранул катализатора, а не превращение его в продукт. Таким образом, важно, чтобы соответствовать режимы течения через массу пористого катализатора при крупных масштабах или уменьшать размер химический процесс.
Недостатки
Использование инженерных аналогии, такие как J ^ D ^ к югу чревато опасностью. Во-первых, аналогия между передачей импульса и исцелить или массового перевода действительна только для процессов свободной формы сопротивления, она не может использоваться в ситуациях, когда отрыв пограничного слоя происходит. Во-вторых, тепло-и массообмена может привести к искажению профиля скорости жидкости, особенно в процессах, используя большой движущей силой: такие аналогии не проводить, если скорость профиль отличается от массы или теплообмена профили (4). В-третьих, для турбулентного потока процессов, таких аналогий, действительны только в случае, если граничные условия, аналогичные для импульса, тепло-и массообмена. Например, большинство массообмена операции включают два жидкой фаз, а передача импульса происходит между жидкой фазе и твердой фазе, так что аналогии не могут быть применены к такому оборудованию. В целом, очевидна неадекватность таких аналогий в результате отсутствия понимания турбулентного течения вблизи границы раздела фаз (5).
Чилтон-Колберн аналогии, однако, оказалось чрезвычайно надежной, поскольку она впервые появилась в 1933 году. Это происходит потому, что эмпирическая, а не теоретический. Большинство других аналогий инженерных теоретически, полученных от потока уравнений для импульса, тепло-и массообмена.
Резюме
Потому что фильм застойных окружает каждый объект, погруженной в жидкость, процесс расширения должно быть сделано с помощью линейной скорости движения жидкости, так как толщина пленки окружающего подводного объекта зависит от него. Таким образом, распространение через застойных фильм, который представляет линейный градиент концентрации в толще пленка, зависит от линейной скорости движения жидкости. Поэтому, важно, чтобы соответствовать линейной скорости движения жидкости через реактор опытной, что и коммерческих реакторов, когда растяжение или уменьшения масштаба. В противном случае, большое количество неубедительными данных будет создан.
ЛИТЕРАТУРА
1. Хоген, О. и К. Уотсон, "Основы химических процессов: кинетика и катализ", М., Хобокен, штат Нью-Джерси (1947).
Белый, K, "вязкой жидкости", McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1974).
3. Смит, J., "Кинетика химического машиностроения", McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1981).
4. Brodkey, Р. и Н. Херши, "Явления переноса: Единый подход", McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1988).
5. Шервуд, Т. и др.. ", Массообмена," McGraw-Hill, Нью-Йорк, NY (1975).
Джонатана Уорстелл
SHELL ХИМИЧЕСКОЙ Ко
Джонатана Уорстелл является химик научных сотрудников / инженер Shell химической Ко (333 шоссе 6 Юга, Houston, TX 77082, телефон: (281) 544-7907, факс: (281) 544-8709, E-почта: < HREF = "mailto: shell.com jon.worstell @"> jon.worstell @ <shell.com />). Он оказывает техническую поддержку производства для высших олефинов компании процесс, который работает на производстве в США и Великобритании он работал на производстве и в научные исследования и разработки сайтов, как внутренних, так и международных. Он получил степень бакалавра в области физики и истории из Северо-Западного университет, магистр химии Ball State Univ., А также докторскую степень в области прикладной химии из Колорадо горном училище. Он является членом AlChE.
Химическая промышленность ИТ-инвестиции продолжать расти
Твердые-кислотного катализатора процесса алкилирования чище Дизайн
Поиск Используйте для угарного газа в топливных элементах
Совместных предприятий и объединений
Избегайте Нарушение помощью временного пребывания
Аудит установленной ГЭП Программное обеспечение системы
Использование Надежность основании информации для оценки альтернативных вариантов
Введение в материаловедение и науки Химические технологии и материаловедение инженеров
