ИНЖЕНЕРНАЯ ХИМИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Кафедра катализа и адсорбции ФEН НГУ
Цель курса рассмотреть научные основы инженерного катализа основные научные подходы при создании новых и модернизации существующих каталитических процессов Разделы программы Современные тенденции развития каталитических процессов 2
Задачи, которые необходимо решить при создании нового каталитического процесса 1. Изучить термодинамику процесса. 2. Получить кинетические данные. 3. Выбрать реактор, выполнить его расчеты, определить оптимальные условия осуществления в нем соответствующих реакций. 4. Разработать химико-технологическую схему (ХТС) либо привязать реактор к существующей. От исследований на молекулярном уровне — до промышленного применения 3
От молекулярного уровня – до промышленной реализации Изучая новый процесс в лабораторных условиях, исследователь должен быть уверен, что его экспериментальные результаты будут пригодны для экстраполяции к промышленным условиям. Для этого он должен иметь представление о принципах масштабного перехода. 1. В реакторе протекают сильно нелинейные процессы каталитических превращений, которые осложнены процессами переноса тепла и массы в зерне катализатора и объеме реактора, характеризующимися многообразием связей. Взаимное влияние каталитических реакций и процессов тепло- и массопереноса и, соответственно, результаты процесса сильно зависят от размера и типа реактора 2. При создании каталитических реакторов необходим учет процессов массо- и теплопереноса. Если в лабораторном реакторе, при определении каталитических свойств, мы стараемся исключить их влияние, то в промышленном реакторе они имеют значительное либо определяющее значение. Выбор конструктивных элементов промышленного реактора неразрывно связан с этим. Как выполнить масштабный переход? 4
Типы каталитических реакторов Адиабатический Многослойный Трубчатый х Катализатор неподвижен х хг – холодный газ то - теплообменник х - теплоноситель Псевдоожиженный слой Катализатор находится в движении Движущийся слой Восходящий поток Сырье Катализатор 5 Продукты
Основные требования к каталитическим реакторам 1. 2. 3. 4. 5. 6. Максимальная производительность Максимальная степень превращения реагента Максимальная селективность (избирательность) Устойчивость процесса и его управляемость Возможность длительной непрерывной работы Минимальные энергетические затраты Конструкция реактора и его габариты должны обеспечивать поддержание заданных оптимальных значений характеристик процесса: § а - активность катализатора § S - селективность § Р - давление § Т - температура § 6 τ - время контакта
Характеристики каталитической системы Ø Степень превращения Для i – исходного реагента степень его превращения равна ( при протекании для реакции без изменения объема ) 7
Характеристики каталитической системы Ø Селективность (для сложных реакций) Последовательная схема Параллельная схема Целевой продукт - В Целевой продукт – В 1 • Дифференциальная селективность (избирательность) реакции в элементе реактора равна отношению скорости образования целевого продукта к суммарной скорости превращения исходного реагента – n - число маршрутов расходования исходного реагента m - число маршрутов, по которым образуется либо расходуется целевой продукт 8
Характеристики каталитической системы • Интегральная селективность процесса равна отношению количества целевого продукта на выходе из реактора к количеству превращенного исходного реагента Ø Выход целевого продукта - доля исходного реагента, превратившегося при прохождении всего слоя катализатора в целевой продукт: Ø Время контакта - отношение объема катализатора к объемной скорости подачи реакционной смеси: 9
Характеристики каталитической системы • Мощность - количество продукта, произведенное в реакторе за год, ( для многотоннажных продуктов 10 -100 тыс. тонн в год ) • Производительность единицы объема реакционного пространства (или единицы веса катализатора) В настоящее время реализация процесса может быть перспективна, если достигается производительность 10
Адиабатический разогрев Q – теплота реакции, дж/моль cо – концентрация реагента на входе в реактор, моль/м 3 х – степень превращения реагента cр – теплоемкость газовой смеси Для адиабатического слоя катализатора Адиабатический разогрев вместе с активностью катализатора и энергией активации реакции определяют оптимальный температурный режим, и следовательно – тип реактора - 100 – 300 о. С - 300 – 700 о. С Трубчатый реактор - 700 – 4000 о. С 11 Реактор с адиабатическим слоем катализатора Реактор с кипящим слоем
Как перейти от лабораторного реактора к промышленному ? В реакторе протекают сильно нелинейные процессы каталитических превращений и процессы массо- и теплопереноса. Взаимное влияние химических и физических процессов, и результаты процесса зависят от типа и размера реактора. Разработка реакторов в начале XX века – 99% искусства на основе опыта и инженерной интуиции, 1 % науки. Физическое моделирование - 30 -50 годы XX века Изучение процесса на основе теории подобия. Метод оставался основным методом разработки каталитических реакторов до конца 50 -х годов XX века. Метод “черного ящика” - последовательность пилотных установок, увеличивая размеры, т. о. заполняется дистанция между лабораторным и промышленным масштабом. Математическое моделирование Изучение процесса на математических моделях c целью предсказания их протекания в аппаратах заданной конструкции, т. е. в реальном реакторе. В настоящее время этот метод является теоретической основой промышленного катализа, так как позволяет решать проблемы масштабного перехода. 12
Необходимость развития математического моделирования. Проблема масштабного перехода Четыре масштабных уровня на примере реакторов синтеза окиси этилена Пилотная установка Опытный Промышленный реактор Реактор с движущимся слоем Реактор с кипящим слоем Лифт-реактор Загрузка катализатора (на одинаковое количество перерабатываемого сырья) Насос Реактор Лабораторная проточноциркуляционная установка Взаимосвязь свойств катализатора и технологии процесса Активность (выход бензина), % 30, 0 40, 0 50, 0 Размер частиц катализатора, мм 5, 0 0, 1 13
Chemical Reaction Engineering (Catalytic Reaction Engineering ) В США исследования в этой области были начаты на рубеже 1940 -1950 -х годов. Интенсивное развитие они получили в конце 1950 -х - начале 1960 -х годов как за рубежом, так и в СССР. Этому способствовало: - развитие теории и экспериментальных исследований по кинетике каталитических реакций; - развитие представлений об основных физических процессах в каталитическом реакторе; - широкое распространение вычислительной техники.
Chemical Reaction Engineering Амундсон Н. Р. 1916 - 2011 Левеншпиль О. 1926 -
The Chemical Reactor Omnibook Levenspiel Octave
Chemical Reaction Engineering Лусс Д. 1932 - Арис Р. 1929 - 2005 Ray W. H. 1934 -
Основатели Института – Г. К. Боресков и М. Г. Слинько, 1963 г. Боресков Г. К. (1907 – 1984) – первый директор ИК Слинько М. Г. (1914 – 2008) – первый зам. директора ИК
С зарубежными коллегами, 1974 г
2004 г. (90 лет)
Структурный анализ каталитического процесса Каталитический процесс Химические процессы Взаимодействие Математическая модель Расчет Реактор 21 Физические процессы Анализ элементарных связей процессов, протекающих в реакторе Раздельное исследование выделенных процессов и явлений Описание связей между отдельными элементами Последующий синтез совокупности процессов в виде системы уравнений с последующим их решением Анализ свойств системы на основе свойств составляющих ее элементов и способов их связей Интерпретация данных
Структура стационарного процесса в неподвижном слое катализатора реакция 2 – перенос массы и тепла внутри зерна 3 – конвективный поток 4 – поток между наружной поверхностью зерен и потоком реагентов 5, 6 – радиальный и продольный перенос массы и тепла: а – по твердым частицам б – по газовой фазе 7 - поток тепла от слоя к стенке: а – от твердых частиц б – от потока 1– 22
Процессы переноса реагирующих веществ и продуктов реакции в реакторе с неподвижным слоем 1. Конвективный поток: - исходная реакционная смесь подается на вход в реактор и смесь продуктов и непрореагировавших веществ выходит из реактора 2. Внутренняя диффузия: - перенос исходных реагентов от внешней поверхности гранул катализатора к их центру; - перенос продуктов реакции и непрореагировавших веществ из глубины гранулы к внешней поверхности 3. Внешняя диффузия: - перенос реагентов из потока, проходящего через слой катализатора, к внешней поверхности гранул; - перенос продуктов реакции и непрореагировавших веществ от внешней поверхности гранул в ядро потока 4. Продольный перенос – перенос массы и тепла по высоте слоя 5. Радиальный перенос - перенос массы и тепла по радиусу слоя 6. Поток тепла от слоя катализатора к стенке реактора 23
Как перейти от лабораторного реактора к промышленному ? Основы математического моделирования Для корректного использования при масштабировании реактора модель должна адекватно отражать химические превращения и процессы переноса вещества и тепла. Масштабный переход возможен в том случае, когда выделенные составляющие процесса инвариантны к размеру реактора. Это выполнимо, если используется иерархическая структура модели процесса. Иерархия моделей – последовательность все более сложных моделей, отражающих все большее число свойств оригинала. При таком построении модели выделяются масштабные уровни процесса, не зависящие от размера реактора, на каждом из них определяются его составляющие и их взаимное влияние. Процесс на одном масштабном уровне входит как составляющая на следующем. Результаты на одном масштабном уровне не зависят от данных, характеризующих вышестоящий уровень. Такая модель адекватно отражает скорости реакции и явления переноса тепла и массы. 24
Иерархическая схема построения модели процесса в реакторе с неподвижным слоем 4 уровень 3 уровень Смешение Теплообмен Перенос в слое катализатора Вещество Перенос к наружной поверхности Тепло Вещество Тепло Процессы переноса внутри зерна 2 уровень Вещество Реактор Наблюдаемая скорость реакции Процесс в слое Скорость реакции Процесс на зерне Стадии каталитической реакции 1 уровень 25 Тепло Слой катализатора Адсорбция Реакция на поверхности катализатора Десорбция Кинетика
От молекулярного уровня – до промышленной реализации Для создания нового каталитического процесса необходимо: 1. Изучить термодинамику процесса. 2. Определить основные стадии каталитической реакции, получить экспериментальные данные о скорости реакции, обработать их и получить кинетические уравнения. 3. Выполнить расчет каталитического процесса, выбрать оптимальную конструкцию реактора и условия реализации. 4. Провести пилотные испытания. 5. Привязать реактор к существующей технологической схеме или выбрать новую. 6. Выполнить экономический анализ, чтобы получить продукт § нужного качества § в максимальных количествах § с минимальными затратами 26
Методология построения математической модели каталитического реактора (Слинько М. Г. ) Химия Физика Химическая термодинамика Кинетика химических реакций Кинетическое уравнение Влияние процессов переноса Определение оптимальных условий Законы сохранения Процессы переноса Физические методы исследования Модель реактора Аэрогидродинамика Инженерные Конструкторские особенности науки Материаловедение Экономика Экология Математика ЭВМ Качественные методы исследования Теория дифференц. уравнений Стохастические методы Вычислительная математика Математическое моделирование Анализ модели и определение оптимальных условий Согласование результатов вычислительного эксперимента с натурным Модель для проектирования и управления 27
Проблемы: а) Отсутствие достаточных данных для расчета б) Трудности при решении математических задач г) Расчет реактора в отрыве от производства в целом Расчет реактора – это компромисс между: и Недопустимостью больших затрат труда и времени, экономическим риском принять неудачное технологическое решение Возможностью легко и быстро найти эффективное решение проблемы, которое может быть новым и неожиданным ЦЕЛЬ – составить математическую модель процесса и на ее основе разработать рациональную схему расчета Какие мы вправе допустить упрощения и сокращения? 28 “Everything should be made as simple as possible. But not simpler” Albert Einstein
Разработка катализатора и процесса Скрининг Кинетика Масштабирование реактора Катализатор Пилотные испытания Разработка промышленного реактора 29
Интенсификация реакторов Традиционный подход Разработка катализатора Исследование процессов массо- и теплопереноса Пилотные испытания Оптимизация реактора 30 Современные методы Теоретическая оптимизация реактора и катализатора Разработка катализатора Пилотные испытания
КОНФЕРЕНЦИИ "ХИМРЕАКТОР" 1. Новосибирск 1963 г. 13. Новосибирск июнь 1996 г. 2. Новосибирск 1965 г. 14. Томск июнь 1998 г. 3. Киев 1968 г. 15. Хельсинки июнь 2001 г. 4. Новосибирск 1971 г. 16. Казань июль 2003 г. 5. Уфа 1974 г. 16 А. Берлин декабрь 2003 г. 6. Дзержинск 1977 г. 17. Афины-Крит май 2006 г. 18. Мальта сентябрь 2008 г 7. Баку 1980 г. 19. Вена сентябрь 2010 г. 8. Чимкент 1983 г. 20. Люксембург декабрь 2012 г. 9. Гродно 1986 г. 21. Нидерланды сентябрь 2014 г. 10. Тольятти 1989 г. 11. Алушта 1991 г. 12. Ярославль 1994 г. . 31
Скачать презентацию ИНЖЕНЕРНАЯ ХИМИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Кафедра катализа и адсорбции
Lecture_1_2014.ppt