Создание оптимального теплового режима в реакторах

В нестационарных процессах состав газовой фазы и температура катализатора во времени изменяются.

  Можно указать на четыре основные причины возникновения нестационарности при осуществлении гетерогенно-калалитических процессов:1) вынужденные внешние воздействия, 2) неустойчивость стационарного состояния или автоколебания. 3) случайные помехи, возмущения; 4) изменяющиеся во времени активность и селективность

катализатора.

Разработка моделей нестационарных процессов, а особенно расчеты на основе этих моделей численными методами, создание систем автоматического управления нестационарными режимами несомненно намного сложнее, чем для стационарных процессов. Рассмотрим лишь

кратко качественные результаты некоторых видов нестационарности в каталитических процессах.

Работа в режиме вынужденных внешних воздействий приводит к тому, что при одних и тех же средних значениях входных параметров реактора, но разных законах их изменения во времени возникают широкие возможности в формировании полей концентраций, температур и составов поверхности калализатора.  Потому в нестационарном режиме можно добиться более благоприятных условий протекания процесса, чем в стационарно работающее реакторе. Например, производительность и избирательность процесса в нестационарном режиме может оказаться значительно выше, чем в стационарном.  Это отличие, возникающее прежде всего из-за нелинейной зависимости  скорости реакции от состава реакционной смеси и температуры, в значительной мере зависит от динамических свойств поверхности катализатора. Эффективность нестационарного процесса зависит от закона изменения входных параметров — состава реакционной смеси, начальной температуры,  нагрузки.

Рассмотрим в качестве примера способ проведения обратимой экзотермической реакции в адиабатическом реакторе с искусственно организованной нестационарностью. Нестационарность достигается периодическим переключением направления подачи реакционной смеси в слой катализатора.

Основная идея способа заключается в том, что слой катализатора

выполняет не только свою основную функцию ускорение реакции, но также является и регенератором теплоты. В начале процесса неподвижный слой катализатора разогревают до некоторой температуры, при которой экзотермическая химическая реакция протекает со значительной скоростью, и  следовательно, с высокой скоростью выделения теплоты. Затем в реактор подают реакционную смесь с существенно более низкой входной температурой. За счет того, что катализатор уже разогрет, реакция  протекает с достаточной скоростью, причем по длине слоя катализатора устанавливается определенный температурный профиль, перемещающийся во времени. Постепенно температура входного участка катализатора уменьшается, а выходного — остается достаточно высокой или растет. В некоторый момент времени производят переключение направления подачи холодного реагента. Тепловой фронт начинает перемещаться в противоположном  направлении.

Протекание реакции в нестационарном режиме при низких температурах  на входе в слой поддерживается за счет того, что в область

высоких температур слоя непрерывно поступает реакционная смесь с непрореагировавшим исходным компонентом, который превращается в этой области с выделением теплоты. Часть теплоты химической реакции сохраняется в реакционном объеме. Развитая поверхность  зерен катализатора обеспечивает хороший теплообмен между разогретым катализатором и холодным потоком газа, что доводит температуру последнего до вполне достаточной, чтобы протекала реакция.