Диссертация (1091222), страница 25
Текст из файла (страница 25)
По результатам анализа можно сделать вывод о способности математической модели свысокой точностью рассчитывать основные характеристики данной системы «катализатор-реактор».Это позволяет применять данную модель для расчёта различных параметров системы, варьируя еёгеометрические характеристики.3.3.3. Исследование тепловой устойчивости работы реактораОдной из наиболее важных характеристик для проектирования промышленных реакторов, вкоторых происходят реакции с большим тепловыделением, является задача расчёта оптимальныхгабаритов реакторного пространства. При этом, с одной стороны должна быть обеспечена наибольшаяпроизводительность с единицы объёма реактора. С другой стороны, должен быть определён некийкритический размер трубы (в нашем случае диаметр) при соблюдении которого система сохраниттепловую устойчивость работы.
Для процесса СФТ поддержание тепловой устойчивости работыреактора необходимо для обеспечения высокой производительности и селективной работыкатализаторного слоя. Высокая теплопроводность каталитического слоя позволяет увеличить диаметртрубы и снизить аспектное соотношение реактора. Очевидно, что будет существовать критическийдиаметр реакционной трубы, превышение которого приведёт к резкому и неконтролируемому ростутемпературы в лобовом слое катализатора. При этом будет происходить самопроизвольный разогрев,сопровождающийся дезактивацией катализатора в результате спекания активного компонента, гранулкатализатора, отложения аморфного углерода и др.
В разделе 3.3.2 показано, что математическаямодель позволяет оценить профиль температуры в слое реактора. Варьируя диаметр трубы, можноподобрать такой, свыше которого система теряет тепловую устойчивость работы. Профиль температуртакой системы в этом случае будет превышать температуру стенки реактора более чем на 50 °С.Для оценки устойчивости работы слоя катализатора КЧ в реакторной трубе различныхдиаметров (10, 15 и 20 мм.) был проведен расчёт испытания катализаторного слоя катализатораКЧ в СФТ с использованием рассмотренной ранее математической модели. Условиямоделирования представлены в таблице 14.Таблица 14. Условия моделирования.ПараметрДлинатрубы, Температура стенки Объёмная скорость СоотношениеммВеличинареактора, °С2100230синтез-газа, ч-1;1000CO/H22143(а)(б)(в)Рисунок 58.
– Температурный профиль слоя катализатора для реактора с диаметромтрубы: а) 10 мм; б) 15 мм; в) 20 мм144На рисунках 58 а–в показаны расчётные профили температур в катализаторном слое приразличных диаметрах трубы. Синим цветом показана усреднённая температура слоякатализатора, красным — температура «горячего пятна». Видно, что разница температур междуслоем катализатора и температурой стенки реактора существенным образом зависит от диаметратрубы реактора. По данным, представленным в таблице 15, видно, что перепад температуры длядиаметра трубы 10 и 15 мм не превышает 3 и 11 °С соответственно. Реактор со внутреннимдиаметром трубы 20 мм не подходит для проектирования, так как расчётный перепадтемпературы катализаторного слоя в этом случае составит 355 °С. Это означает потерю тепловойустойчивости работы катализаторного слоя в данных условиях ведения процесса.
Это являетсянедопустимым, так как в реальных условиях СФТ это неизбежно приведёт к дезактивациикатализатора. Таким образом, критерием тепловой устойчивости работы катализаторного слояможет служить профиль температуры, полученный при расчёте по математической модели.Таблица 15. Результаты моделирования.Диаметр трубы, Высота слояМаксимальнаяРазница междуммкатализатора,температура горячеготемпературой стенкиммпятна, °Среактора и температуройгорячего пятна, °С101650233315190024111201990585355Представленные в данной главе материалы, обсуждение и выводы были получены всоавторстве и опубликованы в следующих работах [173,174].1454.ЗаключениеВ рамках данной диссертационной работы была исследована возможность созданияпромышленного кобальтового катализатора синтеза Фишера–Тропша.
Основной задачей являлосьсоздание катализатора с высокими производительностью и селективностью образования жидкихуглеводородов, способного работать в широком интервале температур синтеза и объёмных скоростейсинтез-газа. Вследствие высокой экзотермичности процесса гидрирования CO, а также чрезвычайнойчувствительности селективности образования жидких углеводородов к температуре ведения процессабыла поставлена задача повышения коэффициента теплопроводности гранул кобальтового катализатора.Для выполнения данной задачи были приготовлены и исследованы каталитические системы на базегранулированных композитов с развитой пористой системой. На стадии приготовления в их состав дляповышения коэффициента теплопроводности вводили различные металлсодержащие компоненты(микрометрические частицы металла (алюминий, цинк, медь, кобальт)).
Дополнительно был использованкоммерчески доступный экструдированный карбид кремния фирмы SICAT RESEARCH. В качествеобразца сравнения был приготовлен образец, не содержащий теплопроводящего компонента.В результате комплексного исследования физико-химическими методами анализа (РФА,ТПВ, пикнометрия, измерение коэффициента температуропроводности и др.) показано, какприрода теплопроводящего компонента влияет не только на пористую систему и коэффициенттеплопроводности, но и на физико-химические свойства получаемого носителя.
Так,сорбционными методами анализа показано, что катализаторы, содержащие в своём составе γAl2O3, характеризуются близким распределением пор по размерам. При этом, металлическийкомпонент вносит вклад в индивидуальное строение пористой структуры катализатора.Методами РФА и ТПВ показано, что природа теплопроводящего компонента носителя и способвведениякобальтсодержащегокомпонентаприводятксущественнымразличиямвформировании поверхностных и объёмных кобальтсодержащих фаз нанесённого катализатора,образующихся в процессе его приготовления. Так, для нанесённых катализаторов характерноперераспределение части кобальта в трудновосстановимые фазы и структуры (например,шпинельные или кобальтитные структуры), что исключает эту часть активного компонента изкатализа.
Методом ТПВ показано, что для катализаторов, содержащих скелетный кобальт вкачествеактивногоитеплопроводящегокомпонента,подобногоперераспределениякобальтсодержащего компонента не происходило.Серия гранулированных кобальтовых катализаторов была испытана в синтезе Фишера–Тропша. Все катализаторы были активны в синтезе Фишера–Тропша, однако имелисущественные различия по конверсии СО, производительности и селективности образованияжидких углеводородов, что в значительной степени определено разницей как в пористойструктуре и коэффициенте теплопроводности, так и в природе соединений, входящих в состав146композитного катализатора. Так как медь проявляет собственную каталитическую активность,то кобальтовый катализатор, содержащий медные дендриты в качестве теплопроводящегокомпонента, характеризовался низкой активностью в синтезе углеводородов и высокой в синтезепобочных продуктов.
Кроме того, металлический компонент в катализаторах с дендритами медии чешуйчатым цинком окислялся на стадии приготовления катализатора, что приводило к потеревозможных преимуществ применения данных металлов. Для катализатора со скелетнымкобальтом, не содержащим цеолит, было исследовано влияние температуры восстановления наосновныехарактеристикикатализатора.Полученныйкатализаторхарактеризовалсячрезвычайно высокой активностью в синтезе Фишера–Тропша, продукты синтеза представленыпреимущественно н-алканами. Однако, его селективность образования жидких углеводородов,по сравнению с аналогичной величиной для нанесённого катализатора, была существенноменьше из-за высокой интенсивности протекания побочных реакций образования газообразныхуглеводородов С1–С4.
Катализаторы, содержащие цеолит, обладали большей селективностьюобразования жидких углеводородов, в том числе и катализатор, содержащий скелетный кобальт.Продукты, полученные в СФТ на таких катализаторах, содержат значительное количествоизоалканов, а также α-олефинов. Таким образом, применение цеолита в составе кобальтовогокатализатора оказывает положительное влияние на целевые параметры катализатора.По результатам физико-химических и каталитических испытаний показано, что с точкизрения сочетания свойств катализатора «коэффициент теплопроводности, пористая структура,производительность по жидким углеводородам» наиболее перспективными характеристикамиобладает нанесённый кобальтовый катализатор, содержащий чешуйчатый алюминий в качестветеплопроводящого компонента.
Он был выбран для оценки пригодности при масштабированиятехнологии и испытан в опытно-промышленном реакторе с укрупнёнными (по сравнению слабораторным реактором) габаритами. Испытания показали, что для данного катализаторанаблюдается хорошая сходимость с данными по конверсии CO и производительности по жидкимуглеводородам, полученными при испытаниях в лабораторном реакторе.Для проектирования промышленных реакторов различных размеров для данногокатализаторабылаиспользованадвумернаяквазигомогеннаяматематическаямоделькожухотрубного реактора со стационарным слоем гранулированного кобальтового катализатора.Прогностическая способность модели была проверена сопоставлением экспериментальныхданных и результатов расчётов, где в качестве входных данных были использованы фактическиреализованные на лабораторном и опытно-промышленных реакторах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
