CC BY
88
УДК 66.094.18:547:538.569
И. Х. Бикбулатов, Р. Р. Даминев, Н. С. Шулаев, И. А. Кусакин
Особенности проведения гетерогенно-каталитических процессов
под действием микроволн
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке 453118, Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел. (3473) 24-35-74; факс (3473) 24-24-08
В работе приведены результаты исследований по оценке скорости протекания стадий гетеро-генно-каталитического процесса под действием СВЧ-излучения влияния.
Ключевые слова: стадии, внешнедиффузионное торможение, катализатор, СВЧ-излучение, дегидрирование, бутены, изоамилены, энергия активации, высота слоя.
Нагрев является одним из процессов, наиболее часто используемых в химической технологии, и поэтому повышение его эффективности (снижение энергозатрат и времени, а также увеличение экологической безопасности) является одной из актуальных задач, стоящих перед современным химическим производством. Применение электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона в качестве теплоносителя для теплового воздействия на технологические среды является одним из способов решения этой задачи, стимулирующим исследования в области применения СВЧ электромагнитных волн в химической технологии.
СВЧ нагрев является беспримесным методом, поскольку при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания, кроме того, преобразование СВЧ энергии в тепловую позволяет получать высокие скорости нагрева и однородность температурного поля по всему объему нагреваемой среды 1.
Кроме того, следует ожидать возможного влияния СВЧ-излучения на механизм и кинетику химического процесса, в частности, гете-рогенно-каталитического, протекающего через ряд стадий (внешняя и внутренняя диффузия, сорбция, химическая реакция и т. д.), каждая из которых может быть подвергнута влиянию СВЧ-поля.
Для исследования результирующего влияния СВЧ-излучения на гетерогенно-каталити-ческую реакцию важно знать область, в которой протекает та или иная реакция.
Дата поступления 30.03.06
Рассмотрим результаты исследований по оценке скорости протекания отдельных стадий гетерогенно-каталитического процесса, проводимого в СВЧ-поле.
Например, при традиционном способе ведения процессов дегидрирования бутенов и изоамиленов необходимое количество тепла для проведения процесса вводится в реактор вместе с нагретым углеводородным сырьем (около 550 оС) и перегретым паром (700—750 оС), выполняющим роль теплоносителя-разбавителя для снижения парциального давления сырья. При проведении каталитического процесса в СВЧ-поле возможно использование не нагретого предварительно сырьевого потока, а энергия, необходимая для химического превращения, поступает в реактор в виде электромагнитного излучения, которое, поглощаясь веществом катализатора, трансформируется в тепловую. При этом следует ожидать уменьшения скорости внешней диффузии из-за уменьшения с понижением температуры коэффициента диффузии:
Б = - и А 3
где и — средняя тепловая скорость движения молекул;
А — длина свободного пробега
Это снижение скорости процесса можно компенсировать увеличением линейной скорости потока сырья или увеличением площади поверхности контакта фаз (уменьшением размеров гранул катализатора). Оценку влияния внешнедиффузионного торможения при проведении процесса в СВЧ-поле проводили по известной методике, применяемой для исследования стадий каталитических процессов традиционным способом 2. Как показали результаты экспериментов, повышение линейной скорости газового потока приводит к увеличению выхода продукта и позволяет перевести
реакцию из внешнедиффузионной области в кинетическую. Так, например, в реакторе диаметром 20 мм внешнедиффузионное торможение устраняется при увеличении объема катализатора с 15 до 30 см3 при линейной скорости газового потока до 24 л/мин. Аналогичные результаты получены при проведении процесса в реакторе, нагреваемом в муфельной печи.
Процессы внутренней диффузии определяются структурой катализатора, формой и размером пор. Так как твердые катализаторы обычно представляют собой высокопористые тела, каталитическая реакция протекает главным образом внутри зерен катализатора, на стенках пор. Диффузионный поток через капилляр радиуса г описывается известным уравнением
да 8 ПГ
Лрг
& 3^2ПМЯТ Л!
Эффективный коэффициент диффузии составляет порядка 10-2 см2/с против значения 10-1 см2/с для обычного коэффициента диффузии при атмосферном давлении.
На рис. 1 показано влияние изменения коэффициента диффузии на конверсию сырья — изоамиленов, по оси абсцисс отложено отношение текущей координаты к длине поры, по оси ординат — отношение концентрации разложенного сырья к исходной.
1
0,95
0,9
0,85
0,8
У 0,75 О
0,7 0,65 0,6 0,55 0,5
0,00 0,15 0,30 0,45 0,60 0,75 0,90 221.
Рис. 1. Расчетные зависимости концентрации изоами-ленов [С] от длины поры катализатора Z при разных коэффициентах диффузии О: 1 — О = 17 • 10-6 м2/с; 2 - О = 30 • 10-6 м2/с; 3 - О = 50 • 10-6 м2/с; 4 - О = 50 • 10-5 м2/с.
Как видно из рис. 1, с уменьшением коэффициента диффузии будет уменьшаться и конверсия сырья - изоамиленов.
Снижение температуры сырья с 600 оС (О = 50 • 10-5 м2/с) до 50 оС (О = 17 • 10-6 м2/с) приводит к уменьшению выхода целевого продукта на =5%.
При проведении экспериментальных исследований не обнаружено влияние СВЧ-излучения непосредственно на скорость химической реакции - одной из стадий гетероген-но-каталитического процесса. На химическую реакцию оказывает влияние такой параметр, как энергия активации Е. Согласно молеку-лярно-кинетической теории, она варьируется в пределах от 1 до 10 эВ. По результатам исследований энерговооруженность СВЧ-излу-чения составляет Е = 10.13 • 10-9 эВ, поэтому ее не хватает для преодоления потенциального барьера реакции 3.
На основании результатов исследования влияния СВЧ-излучения на стадии гетероген-но-каталитического процесса можно заключить следующее: для наиболее эффективного использования СВЧ-излучения необходимо разработать катализатор, позволяющий перевести процесс во внешнекинетическую область, т. е. способствующий тому, чтобы скорость химической реакции была выше скорости внутренней диффузии. При этом катализатор должен иметь специфическую структуру пор с меньшей удельной поверхностью, а также его должна характеризовать большая степень преобразования СВЧ-излучения в тепловую энергию. При компенсации снижения скорости внутренней диффузии и, следовательно, снижения выхода продукта активность такого катализатора должна быть немного выше активности катализатора, используемого в традиционном процессе.
При использовании традиционного промышленного катализатора для обеспечения условий наиболее эффективного проведения процесса в СВЧ-поле необходимо использовать такую линейную скорость газового потока, которая обеспечивала бы компенсацию снижения скорости внешней диффузии, а также формировать высоту слоя катализатора, обеспечивающего максимально полное поглощение СВЧ-энергии.
Катализатор, загружаемый в реактор для трансформации энергии электромагнитного поля в тепловую и обеспечения химического превращения, берется в количестве, обеспечивающим требуемую производительность.
Объем катализатора, Ук, м3, можно определить, зная объемную скорость подачи сырья Ш, ч-1 и объем газа, подаваемого на слой катализатора, Уг, м3/ч:
' ж
Поскольку высота слоя катализатора определяется глубиной проникновения СВЧ-излучения, при которой поглощается практически вся энергия поля 4, варьируемым параметром является диаметр формируемого слоя катализатора (внутренний диаметр аппарата) Ос к, м:
Яск. = 2]П-,
V п-1
где I — высота слоя катализатора, м
В табл. 2 приведены результаты расчета удельной энергии, необходимой для проведения процесса с использованием 1 кг ряда промышленных катализаторов.
Таблица 2 Удельная энергия и выход продукта
Катализатор Удельная энергия, q уд., кДж/(кг • с) Выход продукта, % мас.
К-16У 2.099 25
ИМ-2204 2.275 31
К-24И 2.462 35
В соответствии с данными, приведенными в табл. 2, можно определить количество энергии 0, кДж/с, необходимой для осуществления процесса с требуемой производительностью и соответствующим количеством катализатора:
ж
или й=дуд ■ тк =%д ' Рнас 'V* , где рнас. — насыпная плотность катализатора, кг/м3; тк — масса катализатора, кг
Технологический расчет СВЧ-реактора сводится к согласованию таких параметров, как производительность, объемная скорость подачи сырья W, ч-1 определяющая время контакта сырья с катализатором, количество катализатора VK, м3, высоту слоя катализатора l, м, внутренний диаметр реактора D, м, и диаметра формируемого слоя катализатора DCK, м. Согласование указанных параметров позволяет обеспечить условия эффективной работы СВЧ-реактора, в частности, создать условия для ввода в реактор и полного поглощения в слое катализатора СВЧ-энергии, обеспечивающего при проведении процесса температурные условия, приближенные к изотермическим. Как показывают расчеты, при проведении процесса, использующего в качестве энергоносителя электромагнитное излучение СВЧ-диапазона, наблюдается снижение энергозатрат на ~20%.
Литература
1. Даминев Р. Р., Шулаев С. Н. Исследование дегидрирования углеводородов в высокочастотном электромагнитном поле // Проблемы теоретической и экспериментальной химии: VII Всероссийская студенческая научная конференция: Сб. тезисов докл.- Екатеринбург, 1997.- 188 с.
2. Панченков Г. М., Лебедев В. П. Химическая кинетика и катализ.- М: Химия, 1985.- 592 с.
3. Стромберг А. Г., Семченко Д. П. Физическая химия.- М: Высшая школа, 1988.- 495 с.
4. Архангельский Ю. С., Девяткин И. И. Сверхвысокочастотные нагревательные установки для интенсификации технологических процессов.- Саратов: изд. Саратов. гос. унив, 1983.— 140 с.
