Практическое руководство по обеспечению стабильности слоя катализатора в реакторах с восходящим потоком
При проектировании реакторов с неподвижным слоем насыпных катализаторов одной из ключевых инженерных задач является обеспечение механической стабильности загрузки. В отличие от сотовых монолитных катализаторов, частицы в насыпном слое обладают подвижностью и подвержены воздействию потока газа. Особую критичность эта проблема приобретает в условиях восходящего потока (upstream flow), где гидравлическое сопротивление может привести к псевдоожижению (флюидизации) слоя, нарушению работы реактора и разрушению гранул. В данной статье рассматриваются силы, воздействующие на частицу катализатора, выводятся критерии устойчивости слоя, а также анализируются конструкционные методы предотвращения флюидизации, включая подбор минимальной высоты слоя и использование инертных материалов.
Конструкция реактора для насыпных катализаторов, как правило, зависит от характеристик подвижности каждого отдельного твердого тела будь то шары, кольца или другие формы в сыпучем слое катализатора. Каждая сила, воздействующая на катализатор, способствует либо его фиксации, либо изменению его положения.
На катализатор воздействуют две силы: сила тяжести FG и сила давления FP. Сила тяжести постоянна по направлению - максимальна в вертикальном направлении и равна нулю в горизонтальном направлении. В то же время сила давления зависит от направления потока газа.
Равновесие сил определяет перемещение твердых тел в насыпном слое. На рис.1 показан катализатор в форме сфер при движении потока сверху вниз.
На катализатор воздействуют две силы: сила тяжести FG и сила давления FP. Сила тяжести постоянна по направлению - максимальна в вертикальном направлении и равна нулю в горизонтальном направлении. В то же время сила давления зависит от направления потока газа.
Равновесие сил определяет перемещение твердых тел в насыпном слое. На рис.1 показан катализатор в форме сфер при движении потока сверху вниз.
Рис. 1. Силы, воздействующие на твердую частицу при движении потока сверху вниз
При равновесном состоянии сила тяжести и сила давления складываются, поскольку обе действуют в одном направлении:
Флюидизация (псевдоожижение)
Флюидизация (псевдоожижение)
На рис.2 показано равновесное состояние сил при движении потока снизу вверх. В этом случае сила давления действует противоположно силе тяжести.
Рис. 2. Силы, воздействующие на твердую частицу при движении потока снизу вверх
Результирующая сила оказывается меньше силы тяжести. Выделим три различные ситуации:
- FG > FP: Результирующая сила положительна, и частицы находится в стабильном положении.
- FG = FP: Результирующая сила равна нулю, и частица находится в неустойчивом положении. Это называется теоретической точкой разрыхления.
- FG < FP: Результирующая сила отрицательна и направлена вверх, частицы будут неустойчивы и перемещаться. Это называется флюидизацией.
Носители катализатора обычно изготавливаются из керамических материалов, таких как оксид алюминия или кордиерит, которые характеризуются отличающимся значениями теплового расширения по сравнению со стальной конструкцией реактора. Типичное значение для оксида алюминия составляет 5,4·10-6 K-1 и в диапазоне от 9,9·10-6 K-1 (сталь марки SS-410) до 17,3·10-6 K-1(сталь марки SS-304) в зависимости от марки стали.
Предполагая температуру эксплуатации в диапазоне 250–600°C, мы наблюдаем тепловое расширение на метр материала от 1,4 до 3,2 мм для оксида алюминия, в то время как расширение стали варьируется от 2,5 до 10,4 мм. Таким образом, для реактора диаметром 1м получаем максимальную разницу около 7 мм, что находится в диапазоне размера гранулы катализатора.
Как следствие, гранулы катализатора в насыпной загрузке будут перемещаться при каждой операции запуска и остановки. Чтобы избежать неравномерного заполнения зазоров, особенно у стенки реактора, для промышленных установок обязательно требуется минимальная высота слоя катализатора в 200 мм. Катализатор в виде полых цилиндров не следует применять для газовых потоков снизу вверх из-за их меньшей прочности в сравнении со сферами.
Предполагая температуру эксплуатации в диапазоне 250–600°C, мы наблюдаем тепловое расширение на метр материала от 1,4 до 3,2 мм для оксида алюминия, в то время как расширение стали варьируется от 2,5 до 10,4 мм. Таким образом, для реактора диаметром 1м получаем максимальную разницу около 7 мм, что находится в диапазоне размера гранулы катализатора.
Как следствие, гранулы катализатора в насыпной загрузке будут перемещаться при каждой операции запуска и остановки. Чтобы избежать неравномерного заполнения зазоров, особенно у стенки реактора, для промышленных установок обязательно требуется минимальная высота слоя катализатора в 200 мм. Катализатор в виде полых цилиндров не следует применять для газовых потоков снизу вверх из-за их меньшей прочности в сравнении со сферами.
Для небольших установок, таких как лабораторные или опытные реакторы, могут быть приемлемы меньшие высоты слоя — до 100 мм, при условии, что диаметр реактора менее 200 мм.
Говоря о насыпных катализаторах, мы должны учитывать неидеальную однородность слоя твердых частиц. Соответственно, критерий конструкционной устойчивости определяется следующим образом:
Говоря о насыпных катализаторах, мы должны учитывать неидеальную однородность слоя твердых частиц. Соответственно, критерий конструкционной устойчивости определяется следующим образом:
Для установок малого масштаба, таких как лабораторные или опытные реакторы, могут быть приемлемы меньшие высоты слоя — до 100 мм, при условии, что диаметр реактора менее 200 мм.
Говоря о насыпных катализаторах, мы должны учитывать неидеальную однородность слоя твердых частиц. Соответственно, критерий конструкционной устойчивости катализатора определяется следующим образом:
Говоря о насыпных катализаторах, мы должны учитывать неидеальную однородность слоя твердых частиц. Соответственно, критерий конструкционной устойчивости катализатора определяется следующим образом:
Поскольку ускорение свободного падения (g) является константой, существуют только два параметра для влияния на флюидизацию: масса слоя катализатора и площадь поперечного сечения слоя катализатора.
Однако площадь поперечного сечения слоя одновременно влияет на скорость газа через слой и в этом случае существуют ограничения. На рис.3 представлена зависимость падения давления по слою катализатора от линейной и объемной скоростей в реакторе.
Однако площадь поперечного сечения слоя одновременно влияет на скорость газа через слой и в этом случае существуют ограничения. На рис.3 представлена зависимость падения давления по слою катализатора от линейной и объемной скоростей в реакторе.
Рис. 3. Падение давления по слою сферического катализатора в зависимости от линейной и объемной скорости газа
Проведенные расчеты перепада давления показали по формуле Эргуна, что уменьшение площади поперечного сечения вдвое приводит примерно к шестикратному увеличению перепада давления. Следовательно, площадь поперечного сечения – это критичный параметр при проектировании. Из промышленного опыта известно, что перепад давления 10-30 мбар является достаточным требованием от заказчиков для насыпного катализатора.
На рис. 4 показаны конструкционные ограничения в сравнении с кривой падения давления слоя катализатора (бирюзово-голубая сплошная линия)
На рис. 4 показаны конструкционные ограничения в сравнении с кривой падения давления слоя катализатора (бирюзово-голубая сплошная линия)
Рис.4. Расчет рабочих показателей перепада давления по слою катализатора в зависимости от линейной скорости газового потока
Красная сплошная линия показывает падение давления слоя катализатора высотой 200 мм для разных скоростей газа. Пересечение красной и бирюзово-голубой линии при скорости газа около 0,9 м/с определяет минимально необходимую скорость газа. Темно-синяя сплошная линия определяет максимально допустимый перепад давления для избежания флюидизации в соответствии с уравнением (5). Следовательно, в данном случае существует только одна допустимая точка проектирования — около 0,9 м/с.
Единственным независимым параметром, влияющим на кривую флюидизации, является масса слоя. Если собственный вес слоя катализатора слишком мал для обеспечения приемлемой конструкции реактора в требуемом диапазоне скоростей газа и/или перепадов давления, поверх катализатора можно добавить инертный насыпной материал с более высокой насыпной плотностью.
На рис.5 показано, что добавление инертного материала увеличивает падение давления по слою, но еще больше — массу слоя, тем самым повышая максимальный перепад давления для возникновения флюидизации. Теперь допустимый диапазон проектирования лежит между 0,9 и 1,3 м/с.
На рис.5 показано, что добавление инертного материала увеличивает падение давления по слою, но еще больше — массу слоя, тем самым повышая максимальный перепад давления для возникновения флюидизации. Теперь допустимый диапазон проектирования лежит между 0,9 и 1,3 м/с.
Рис.5. Влияние увеличения массы слоя на критерии проектирования – линейную скорость и перепад давления
Если добавление инертного материала невозможно, можно рассмотреть и другие меры, удовлетворяющие следующему ограничению:
Дополнительная сила Faddition может быть создана, например, за счет веса удерживающей сетки или решетки, либо за счет силовой опорной конструкции.
Таким образом, при выборе конструкции реактора необходимо принимать во внимание то, что скорость газа через катализатор определяется размером общей площади поперечного сечения слоя катализатора в реакторе. Определяющими параметрами при проектировании являются перепад давления по каждому слою катализатора и исключение флюидизации (псевдоожижения) катализатора в слое.
Таким образом, при выборе конструкции реактора необходимо принимать во внимание то, что скорость газа через катализатор определяется размером общей площади поперечного сечения слоя катализатора в реакторе. Определяющими параметрами при проектировании являются перепад давления по каждому слою катализатора и исключение флюидизации (псевдоожижения) катализатора в слое.
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.