Телефон: 8-800-350-22-65
WhatsApp: 8-800-350-22-65
Прием заявок круглосуточно
График работы офиса: с 9.00 до 18.00 Нск (5.00 - 14.00 Мск)

Статья опубликована в рамках: VI Международной научно-практической конференции «Научные достижения биологии, химии, физики» (Россия, г. Новосибирск, 04 апреля 2012 г.)

Наука: Физика

Секция: Теплофизика и теоретическая теплотехника

Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции

Библиографическое описание:
Шулаев Н.С., Шулаева Е.А. ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ГЕТЕРОФАЗНОГО КАТАЛИЗА // Научные достижения биологии, химии, физики: сб. ст. по матер. VI междунар. науч.-практ. конф. – Новосибирск: СибАК, 2012.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов
Статья опубликована в рамках:
 
 
Выходные данные сборника:

 

ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ ДЛЯ ПРОЦЕССОВ ГЕТЕРОФАЗНОГО КАТАЛИЗА

 

Шулаев Николай Сергеевич

д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой ИМФ филиала УГНТУ в г. Стерлитамаке

E-mail: nshulayev@rambler.ru

Шулаева Екатерина Анатольевна

ст. преподаватель кафедры АТИС филиала УГНТУ в г. Стерлитамаке

E-mail: eshulaeva@mail.ru

 

Применение сверхвысокочастотных (СВЧ) электромагнитных волн в качестве теплоносителя для нагрева сред различной природы является одним из способов повышения эффективности современного химического производства, стимулирующим исследования примене­ния СВЧ электромагнитных волн в химической технологии. В настоя­щее время в России, США, Великобритании, Канаде, Франции, Бель­гии, Нидерландах, Японии и других странах проводятся исследования по изучению влияния электромагнитного излучения на особенности каталитических процессов.

При расчете технологических параметров электродинамических реакторов, по сравнению с традиционными каталитическими, необхо­димо учитывать характеристики электромагнитного поля и электрофи­зические свойства вещества катализатора. Данные параметры непо­средственно связаны с определением характерных размеров реакцион­ной установки, т. е. ее диаметра и высоты [3, с. 66].

Другой характеристикой, определяемой параметрами электромаг­нитного поля и влияющей на конструктивные особенности реактора, в частности минимального диаметра реакционного устройства, является длина волны электромагнитного излучения. При использовании СВЧ излучения корпус реакционного устройства должен являться резона­тором. Основным условием распространения электромагнитных волн в резонаторе является соотношение:

,                                                                    (1)

где: λ — длина волны электромагнитного излучения, м;

λкр — критическая длина волны, м.

Исходя из требуемой производительности реактора, определяется объем катализатора:

,                                                                (2)

где: VК — объем катализатора, м3;

VГ — объемная скорость газа, м3/ч;

W — объемная скорость подачи, ч-1.

Для оценки энергетической эффективности каталитического процесса под действием СВЧ излучения тепловой баланс лаборатор­ной установки рассчитывается по формуле:

Qм+Qвх=Qр+Qисх+Qпот,                                          (3)

где: Qм — теплота, выделяемая при поглощении электромагнитного излучения, Дж/час;

Qвх — теплота, вводимая в реакционную установку потоком газовой смеси, Дж/час, определяемая как

Qвх=G·c·Tвх,

где: G — количество вещества поступающего в реактор, моль/час,

с — молярная теплоемкость, Дж/(моль·K);

Tвх — температура газовой смеси на входе в реактор, К;

Qp — теплота, поглощаемая/выделяемая в ходе химических реакций, Дж/час;

Qисх — теплота, выводимая реакционной смесью, Дж/час;

Qпот — тепловые потери в реакционной установке, Дж/час, соответствующие около 5 %, от теплоты, поступающей в реакционную установку.

Таким образом, тепловой КПД реакционной установки:

.                                                                   (4)

Мощность магнетрона, необходимую для проведения химических превращений можно рассчитать исходя из уравнения теплового балан­са реакционной установки (3):

Qм=Qр+Qисх-Qвх+Qпот.

Таким образом, выражения (1—4) позволяют произвести техно­логический расчет реакционного устройства. К особенностям данного расчета можно отнести необходимость определения «полных» глубин поглощения СВЧ излучения для катализаторов, используемых в каж­дом конкретном технологическом процессе на основе эксперименталь­ных данных. Другой особенностью является необходимость выбора диаметра реакционного устройства, исходя из длины волны излучения СВЧ генератора.

Конструкция реактора для проведения процессов под воз­действием микроволнового излучения. На основании лабораторных исследований была разработана конструкция реакционного устройства для проведения эндотермических процессов с использованием микро­волнового нагрева [1]. Принципиальная схема реакционного устройст­ва (СВЧ реактора) приведена на рисунке 1. Реактор (рисунок 2) имеет внутренний диаметр — 100 мм, максимальную высоту — 1340 мм, толщину стенки — 5 мм. Установка включает источник микроволно­вого излучения непрерывного действия с фиксированной частотой колебаний 2450 МГц и регулируемой выходной мощностью до 5 кВт.

 

Описание: Реактор обозначения

Рис. 1. Принципиальная схема СВЧ каталитического реактора для эндотермических гетерофазных реакций: 1 — корпус реактора;
2 — генератор СВЧ излучения;
3 — верхняя крышка реактора;
 4 — катализатор; 5 — волновод;
I — сырье - бутены;
II — контактный газ.

Рис. 2. Модель электродинамического реактора в разрезе

 

Предлагаемая конструкция реактора отличается от промышленных способом подвода энергии в реакционную зону, что значительно снижает энергозатраты, упрощает управление технологическим процессом и повышает КПД установки. Общий КПД микроволновой установки в 1,2 раза выше, чем у существующих промышленных установок [2, с. 99].

Модель функционирования электродинамического реактора (рисунок 3) следующая [3, с. 72]: при поглощении СВЧ излучения ве­ществом катализатора в нем возникают объемные источники тепла, плотность мощности которых (Вт/м3) определяется выражением:

,

 

где: P — мощность электромагнитного излучения, поглощаемая веществом катализатора, Вт;

F — площадь поперечного сечения реактора, м2;

δE  — «полная» глубина поглощения электромагнитного излучения, м;

ε — порозность слоя катализатора;

K — безразмерный коэффициент, зависящий от физических свойств материала и учитывающий способность вещества поглощать электромагнитную энергию;

x — координата, направленная вдоль оси реактора.

Рис. 3. Схема электродинамического реактора

 

Для нахождения распределения температур в твердой и газовой фазе при продуве инертной среды (азота) через слой катализатора с массовой скоростью потока Q в условиях СВЧ нагрева в одномерном приближении, исследуем два уравнения теплового баланса: первое уравнение — тепловой баланс газа и твердой фазы, второе — тепловой баланс твердой фазы для элементарного объема реактора.

Для газа и твердой фазы:

,

 

где: cpg — осредненная изобарная теплоемкость газовой фазы, Дж/(кг·К);

cs — осредненная теплоемкость твердой фазы, Дж/(кг·К);

Tg — температура газа,

Ts — температура твердой фазы,

e — порозность,

lg — эффективная теплопроводность газа, Вт/(м·К);

ls — эффективная теплопроводность твердого вещества, Вт/(м·К);

Q — массовая скорость газовой фазы, кг/(м2·с);

qv — объемная мощность тепловых источников, Вт/м3.

Для твердой фазы:

,

 

где: a — эффективный объемный коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3·К).

Упрощая последние уравнения, получим:

, (5)

                         (6)

 

Вычитая (5) из (6), получим следующие соотношения, связываю­щие температуру твердой Ts и газовой Tg фаз:

.                        (7)

 

Таким образом, для нахождения распределения температур газа и твердой фазы по высоте электродинамического реактора необходимо решить систему уравнений (5), (7).

Выражения (8) и (9) являются решением системы уравнений (5), (7).

Температуру газовой фазы в электродинамическом реакторе можно определить из следующего выражения:

,(8)

 

 

 

 

 

 

где: С1 и С2 — константы интегрирования, получаемые из граничных условий задачи.

Если заданы начальная и конечная температуры газовой фазы, то константы С1 и С2 будут иметь следующий вид:

 

 

 

 

 

 

 

Температуру твердой фазы в электродинамическом реакторе можно определить из следующего выражения:

,                     (9)

 

 

 

где: С1 и С2 — константы интегрирования, получаемые из граничных условий задачи. Если заданы начальная и конечная температуры твердой фазы, то выражения для нахождения констант имеют вид:

С1=Ts(0),

.

 

 

Таким образом, решение системы уравнений (8) и (9) позволяет найти распределение температур в твердой и газовой фазе по высоте СВЧ реактора при продувке химически нейтральной газовой фазы.

По предложенной модели были проведены численные экспери­менты, результаты которых приведены на рисунке 4 [3, с. 96]. Предс­тавлены графики распределения температуры в твердой и газовой фазах для стационарного состояния; 15 соответствуют эксперимен­тальным значениям, полученным на лабораторной установке. Как вид­но из графика, имеется совпадение результатов численного моделиро­вания и экспериментальных данных. Относительное среднеквадратич­ное отклонение температуры составляет 4,6 %, что доказывает адек­ватность математической модели реальному физико-химическому про­цессу дегидрирования бутенов в электродинамическом реакторе.

Рис. 4. Сравнение экспериментальных и расчетных значений температуры катализатора в электродинамическом реакторе
для процесса дегидрирования бутенов при объемной скорости подачи сырья W=600 ч-1: 1—5 — экспериментальные данные
по температуре катализатора; 6 — расчетная температура катализатора; 7 — расчетная температура газовой фазы

 

Представленная модель позволяет определять оптимальные зна­чения параметров электродинамических реакторов при заданном зна­чении выхода целевых продуктов, оценивать влияние различных тех­нологических параметров реакционных устройств на тепловую эффек­тивность процессов, протекающих в них с учетом подвода тепла в реакционную зону посредством СВЧ излучения.

 

Список литературы:

  1. Сверхвысокочастотный каталитический реактор для эндотермических ге­терофазных реакций: патент на изобретение No.2116826. БИ. 1998. № 22.
  2. Моделирование процесса дегидрирования бутенов в электродинами­ческом каталитическом реакторе / Е. А. Шулаева [и др.] // Бутлеровские сообщения. 2011. Т. 24. № 1. С. 99—104.
  3. Шулаева Е. А. Моделирование процессов дегидрирования бутенов и гид­рирования пиперилена в электродинамических каталитических реакторах: дис. … канд. техн. наук. — Уфа: УГНТУ, 2012. 133 с.
Проголосовать за статью
Дипломы участников
У данной статьи нет
дипломов

Оставить комментарий

Форма обратной связи о взаимодействии с сайтом