Сравнение технологических схем, реализующих циклический нестационарный процесс

Рассмотрим ряд общих характеристик, присущих всем перечисленным схемам.

• 1. Возможность перерабатывать исходную смесь с низкой входной температурой, при которой реакция практически не протекает. Это исключает необходимость подогрева больших объемов перерабатываемых газов. Таким образом, при использовании таких схем можно добиться существенного снижения энергозатрат на предварительный подогрев реакционной смеси до температуры начала реакции.
• 2. Катализатор используется не только для ускорения протекания реакции, но и как регенеративный теплообменник.

Таблица 6.1. Сопоставление различных технологических схем, реализующих нестационарный циклический процесс в неподвижном слое катализатора.

3. Вследствие большой тепловой емкости слоя кратковременные колебания в расходе и концентрации перерабатываемого вещества не будут вызывать существенных изменений в режимах работы.

Для сопоставления технологических схем выделим основные параметры: 1) характеристика переключающей арматуры, ее быстродействие, герметичность; 2) изменение во времени температуры на входе и выходе из контактного аппарата; 3) минимальные адиабатические разогревы перерабатываемой смеси, при которых возможна эффективная работа схемы.

Сопоставление схем приведено в табл. 6.1. Поясним кратко особенности работы каждой схемы.

Схема I. Позволяет перерабатывать смеси с минимальными адиабатическими разогревами. Схема пригодна для переработки смесей с адиабатическими разогревами 10−15 °С. В случае переработки смесей с малыми адиабатическими разогревами удается существенно снизить количество катализатора за счет загрузки по торцам слоя инертной насадки.

К особенностям данной схемы, усложняющим ее промышленное использование, относятся: необходимость использования быстродействующей герметичной запорной арматуры; резкие изменения температуры, возникающие в газоходах и арматуре при изменении направления фильтрации.

Схема II. Для переключения газовых потоков можно использовать стандартную запорную арматуру. Однако оно сопровождается повышением адиабатического разогрева смесей, пригодных для переработки по данной схеме. При смене направления фильтрации сохраняются переменные температурные поля в газоходах и переключающей арматуре. Кроме того, увеличение количества катализатора приводит к росту гидравлического сопротивления реакторного узла.

Схема III. Преимущества этой схемы заключаются в возможности использовать стандартную запорную арматуру. При этом удается избежать значительных температурных градиентов на участках, где установлены заслонки (кроме III и IV). Следует отметить как положительное качество то, что обе части слоя работают при постоянном направлении фильтрации реакционной смеси. Однако использование сложной обвязки и шести (вместо 4) переключающих задвижек повышает гидравлическое сопротивление и теплопотери реакционного узла по данной схеме.

Схема ГУ. В этом случае удается уменьшить число задвижек до трех и работать при постоянной (входной) температуре. Однако для работы схемы с высокими степенями превращения необходимо или повышение входной температуры, или работа на смесях с большими адиабатическими разогревами.

Схема V— логическое развитие предыдущей. Число переключающих задвижек здесь уменьшено до двух. Температура на выходе остается практически постоянной в течение полуцикла. Однако эффективная работа схемы (по сравнению со схемой I) возможна лишь при значительных адиабатических разогревах перерабатываемой смеси и больших временах контакта.

Отметим, что в схемах / и III удается реализовать снижающийся температурный профиль по длине слоя (с увеличением степени превращения). Это отвечает требованию теоретического оптимального режима обратимых реакций и позволяет получить дополнительный прирост степени превращения на участках слоя с «падающим» температурным профилем.

В схемах II, IV, V помимо участков с уменьшающейся по длине температурой на торцах слоев Л₂ (схемы II и IV), Л₂ и ^Аз (схема V) будут существовать участки слоев с высокими температурами. Это осложняет осуществление обратимых экзотермических реакций в реакторах по схемам I, IV, V. Поэтому сравнение технологических схем проводилось для необратимых экзотермических реакций.

Существенным различием между схемами I, III и схемами II, IV, V является использование в них тепла, выделяющегося в процессе реакции. В схемах / и III тепло запирается в слое катализатора. Для работы же схем II, IV, V необходимым условием является вытеснение части тепла, выделяющегося в реакции, для нагрева отдельных частей слоя катализатора (части А₂ или в случае схемы V — Л₂ и /1з). Это приводит к повышению адиабатического разогрева, при котором возможна эффективная работа технологических схем II, IV, V.

Теоретический анализ по количественному сопоставлению технологических схем проводился по моделям (6.18), (6.19) на примере необратимой реакции, А -" В. Сравнение осуществлялось для двух значений энергии активации: 32 700 Дж/моль и 50 300 Дж/моль при К (Т_оп) = 10 с" ¹ (Т_оп = 400 °С). Расчеты проводились для трех значений адиабатических разогревов: 90, 120 и 150 °C, что соответствует, например, объемным концентрациям 0,9; 1,2 и 1,5% оксида углерода в исходной смеси; Г_вх = = 50 °C.

Для сопоставления технологических схем была задана степень превращения исходной смеси х > 99%, которая обеспечивалась соответствующим выбором условий работы. Интервал времени между переключениями был ограничен снизу 5 мин.

Для каждого адиабатического разогрева определялось минимальное время контакта, обеспечивающее заданную среднюю за цикл степень превращения х > 0,99. Для схем / и III при минимальном времени полуцикла последовательно уменьшалось время контакта до тех пор, пока степень превращения не становилась равной заданной. Для схем II, IV к V помимо минимального времени контакта проводилось исследование распределения катализатора между частями слоя. Если при варьировании распределения катализатора происходило уменьшение степени превращения, то найденный объем катализатора считался минимальным. Для схемы IV появляются еще две степени свободы: распределение перерабатываемой смеси между частями слоя и соотношение времен полуциклов. Оказалось, что для этой схемы варьирование распределением газовых потоков не приводило к сколько-нибудь существенному уменьшению времени контакта. Соотношение времен полуциклов сказывалось на устойчивости высокотемпературных периодических режимов, влияние же на степень превращения на выходе из контактного аппарата было незначительным.

Время контакта для каждой схемы рассчитывалось по следующим формулам: схема I: т_к = L/u, схема II. т_к = (/,| + + L₇)/u_{; схема III: т_к = 2L/u, схема IV: т_к = (L + Lj)/u схема V: т_к = (L| + 2Lt) I (u + м2). Здесь Ц и ?2 — длины слоев катализатора; М| и м2 — скорости фильтрации смеси в слоях катализатора.

Рассчитанные зависимости времени контакта от адиабатического разогрева показаны на рис. 6.26, на котором видно, что при ограничении на минимальное время полуцикла с ростом адиабатического разогрева перерабатываемой смеси сокращается время контакта, необходимое для достижения заданных степеней превращения. Для схем II, IV, V сокращение времени контакта происходит быстрее, чем для схем / и III. При увеличении адиабатического разогрева с 90 до 150 °C для схем II, IV, V время контакта уменьшается в 2,5 раза, а для схемы /- в 1,5 раза.

Важным технологическим показателем является максимальная температура в слое катализатора. Оказалось, что колебания максимальной температуры в различных схемах незначительны. Максимальное значение температура достигает в схемах, где используются слои с переменными направлениями фильтрации — например, схема / и центральная часть в схеме V. Обусловлено это динамическими забросами по температуре при переключении направления фильтрации. Для схемы III, где тепловая волна в процессе движения по слою не изменяет своей формы, динамический заброс полностью исключен. Максимальная температура в этом случае будет несколько ниже.

Схемы сопоставляли при двух значениях энергии активации. Увеличение энергии активации приводит к росту максимальной.

Рис. 6.26. Зависимость необходимого времени контакта реакционной смеси т_к от адиабатического разогрева для различных схем (1−5, см. табл. 6.26), реализующих нестационарный циклический режим (х г 99%, Е =.

= 32 700 Дж/моль) температуры в слое. Кроме того,? при увеличении энергии активации возрастает время контакта, необходимое для достижения заданной степени превращения. Большая часть прироста объемов катализатора приходится в схеме V на крайние части слоев Ai и A3, в схемах //и IV— на часть слоя Аз- Разброс значений средней степени превращения относительно х > 99% не превышал 0,3%.

Результаты сопоставления различных технологических схем осуществления каталитических процессов в нестационарных условиях позволяют выделить ряд характерных особенностей.

При ограничении на минимальное время полуцикла с ростом адиабатического разогрева реакционной смеси происходит сближение всех схем по времени контакта, необходимому для достижения заданной степени превращения. С увеличением энергии активации, как уже отмечалось, возрастают максимальная температура и время контакта. Увеличение времени контакта обусловлено большей продолжительностью формирования тепловой волны на предварительно нагретом слое катализатора. Это приводит к тому, что сближение характеристик схем по времени контакта происходит при большем значении адиабатического разогрева. Аналогично будет действовать снижение минимально допустимого времени полуцикла и константы скорости реакции. Величины времени контакта для различных схем сближаются друг с другом при больших значениях величин адиабатического разогрева.

Некоторые рекомендации по использованию описанных схем приведены ниже.

• 1. Схемы I и III при адиабатическом разогреве более 100 °C различаются по времени контакта в 1,3−1,4 раза. Поэтому для экзотермических процессов с АТ_ад = 80ч-120 °С можно рекомендовать схему III. Преимуществом данной схемы является возможность использования стандартной переключающей арматуры.
• 2. Из схем II, IV, V предпочтение следует отдать схеме V (для смесей с адиабатическими разогревами 100 °C и выше). Эта схема требует минимального количества переключающих задвижек и примерно одинакового со схемами //и IV объема катализатора. Данная схема может быть рекомендована для переработки больших объемов газов на катализаторах с высокой активностью.
• 3. Для переработки смесей с адиабатическими разогревами 20−80 °С наиболее эффективно осуществление нестационарных режимов по схеме I. Она обеспечивает минимальное время контакта и позволяет перерабатывать смеси с минимальным содержанием горючего вещества. Кроме того, для снижения времени контакта по катализатору в торцы слоя можно загружать инертную засыпку, выполняющую роль регенеративных теплообменников.

Однако для конкретных каталитических процессов вопрос о предпочтении той или иной схемы должен решаться после подробного технико-экономического анализа.