Задачи интенсификации теплообмена в псевдоожиженном слое мелкозернистого материала

В случае равенства длины свободного пробега молекул размеру пор- коэффициент

диффузии можно определить по уравнению [3]:

( — ^

Б = Бэ • 1 - е Бэ ,

V )

которое переходит в уравнение кнудсеновской диффузии (1), если радиус пор много меньше длины свободного пробега молекул, который переходит в уравнение первого закона Фика (1), когда радиус пор много больше длины свободного пробега молекул.

На рис.3 показана зависимость коэффициента диффузии компонентов газовых смесей, используемых для окисления аммиака, в порах катализатора от величины пор и от давления.

Из рисунка видно, что при атмосферном давлении для пор радиусом 1000А° при кнудсеновском режиме коэффициент диффузии пропорционален радиусу пор. Для пор, превышающих 1000 А°, коэффициент диффузии становится постоянным.

Кривые для давлений выше 1 ата показывают переход от кнудсеновской диффузии к молекулярной при меньших размерах пор.

Эффективные размеры пор промышленных катализаторов этого процесса (табл.1) меньше длины свободного пробега газовых молекул при атмосферном давлении. Таким образом, при осуществлении окисления аммиака при атмосферном давлении в порах промышленных катализаторов имеет место кнудсеновская диффузия.

Список литературы

1. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей/ С. Бретшнайдер. - Л.: Химия, 1966.-566с.

2. Киреев В.А. Курс физической химии/ В.А. Киреев - М.: Химия, 1975.-775с.

3. Уилер Э. Катализ. Вопросы и методы исследований/ Э.Уилер- М.: Издатинлит, 1965.-479с.

4. Перри Дж. Справочник инженера-химика Т 1-2/ Дж.Перри - Л.: Химия, 1969.-640-504с.

УДК 66.095.5

И.В. Катасонов, Г.В. Мещеряков, В.В. Добровенко

Новомосковский институт Российского химико-технологического университета им. Д.И. Менделеева, Новомосковск, Россия

ЗАДАЧИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ТЕПЛООБМЕНА В ПСЕВДООЖИЖЕННОМ СЛОЕ МЕЛКОЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА

Advantages of air-air-fluidized bed use for carrying out of catalytic processes are shown. Dependences of heat emission coefficients on pressure and temperature are obtained.

Показаны преимущества использования псевдоожиденного слоя для проведения каталитических процессов. Получены зависимости коэффициента теплоотдачи от давления и температуры.

Одним из способов интенсификации процессов синтеза метанола, аммиака, конверсии окиси углерода является проведение этих процессов в реакторах с псевдоожиженным слоем катализатора. Такие реакторы позволяют использовать мелкозернистые катализаторы, что резко снижает диффузионное торможение. В них обеспечивается изотермический режим в объеме катализатора, что позволяет поддерживать оптимальную температуру процесса. Использование теплообменников в таких реакторах позволяет повысить количество снимаемого тепла в десятки раз по сравнению с реакторами с неподвижным слоем катализатора, что приводит к повышению выхода продукта.

В технологических процессах с использованием псевдоожиженных слоев зернистого материала для поддержания необходимой температуры с помощью погруженного в слой теплообменника подводят или отводят теплоту Q:

Q = акс-Б-Д!,

где Б - площадь теплообменной поверхности с характерным размером 10; Д! - разность температур между слоем и поверхностью Б; акс - коэффициент теплоотдачи от слоя к теплообменной поверхности.

Исследованиями установлено, что температурный напор на расстоянии диаметра зерна (1-2 мм) от поверхности теплообмена является разностью температур между псевдоожиженным слоем и теплообменником. За пределами этого расстояния слой изотермичен. Температура поверхности теплообменника может изменяться в пределах слоя в зависимости от конструкции и расположения. Поэтому в расчетах необходимо использовать среднеинтегральную по поверхности теплообмена разность температур:

Дг = — I

1 1 =¿0

- Г (г - г )й1

^ I V сл ст /

0 1=0

Большое разнообразие конструкций теплообменных элементов значительно затрудняет получение универсальной расчетной зависимости. Поэтому в настоящее время исследование теплообмена и получение экспериментальных зависимостей ведутся применительно к отдельным типам теплообменников.

В данной работе приведены результаты исследований влияния давления и температуры на коэффициент теплоотдачи от псевдоожиженного слоя катализатора синтеза аммиака СА-1 и износоустойчивого катализатора синтеза метанола на хрома-люмборатном носителе к поверхности вертикально и симметрично расположенного змеевика. Псевдоожижение осуществляли на перфорированном газораспределителе.

Анализ полученных данных приводит к выводу, что для каждого конкретного случая выбор механизма теплообмена определяется прежде всего гидродинамической обстановкой в зоне теплообмена. И чаще в действии находятся разные механизмы теплообмена одновременно. На рис 1. представлены графики зависимости максимальных коэффициентов теплоотдачи в зависимости от давления в интервале чисел псевдоожижения, обеспечивающих достижение интенсивного перемешивания материала слоя.

а, Вт/м град

400

300

200

0,5

1

Р, МПа

Рис. 1. Зависимость атах. = f (Р). 1 - катализатор синтеза аммиака; 2 - катализатор синтеза метанола

Ранее показано [3], что повышение давления в аппарате позволяет обеспечить равномерность псевдоожижения и достичь необходимой однородности, характеризующей закономерность пульсационных колебаний определяющих параметров слоя. Равномерность и однородность, обеспечиваемые повышением давления, дают возможность создать такое качество псевдоожижения, которое позволяет достигать значительного роста коэффициента теплоотдачи и его максимального значения атах. С повышением давления атах. достигается при меньших числах псевдоожижения, чем в случае теплообмена без давления. Для 0,1 МПа максимальное значение коэффициента теплоотдачи атах. достигалось при числе псевдоожижения W = 2; для 0,5 МПа - при W = 1,5;

0

для 1 МПа - при W = 1,3. Это является следствием изменения гидродинамической обстановки в зоне теплообмена. Объем единичных газовых пузырей уменьшается, увеличивается их количество, растет частота пульсаций плотности слоя. При этом увеличивается число контактов зерен материала и время контакта материала с теплообменной поверхностью, уменьшается толщина и термическое сопротивление пограничной пленки.

Многочисленными экспериментальными данными установлено, что определенное влияние на теплообмен оказывают физические свойства ожижающего агента, которые в значительной степени определяются не только давлением, но и температурой процесса. На рис.2. приведены графики зависимости максимального коэффициента теплоотдачи от температуры для давления 0,1 МПа.

а, Вт/м2град 400 300

200-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-—

0 100 200 ^0С

Рис.2. Зависимость амах = Г ф. 1 - катализатор синтеза аммиака;

2 — катализатор синтеза метанола.

По имеющимся в литературе сведениям наибольшее влияние на теплообмен с поверхностью оказывает теплопроводность газа По мнению авторов настоящего сообщения величина коэффициента теплоотдачи лимитируется не непосредственно теплопроводностью газа, а эффективной теплопроводностью ^эф. псевдоожиженного слоя, которая в основном определяется величиной и незначительно - теплопроводностью материала А,м. Такой вывод хорошо согласуется с теорией пакетного механизма теплообмена.

Полученные в экспериментах значения коэффициента теплоотдачи от слоя к поверхности змеевика в основном ниже, чем приведенные в литературе величины коэффициентов для одиночных горизонтальных труб.

Такая же картина наблюдается при сравнении максимальных значений экспериментальных коэффициентов для змеевика с аналогичными коэффициентами для горизонтальных труб, посчитанными по зависимости [2]:

атах = 35,7 Дг 0'6 Р;2 й0,зе,

где Хг - коэффициент теплопроводности газа; рт - плотность твердого материала;

ё - диаметр частиц слоя.

Указанные различия в значениях коэффициентов теплоотдачи можно объяснить следующим. Витки змеевика по высоте аппарата находятся в различных условиях омы-вания газовым потоком и частицами твердого материала. Нижние витки змеевика оказывают экранирующее воздействие на вышележащие витки. При малых числах псевдоожижения зерна твердого материала около верхних витков относительно малоподвижны. Полного поперечного обтекания витков змеевика не происходит. Одной из причин ослабления поперечного обтекания верхних витков является тенденция к образованию зоны малоподвижного материала на верхней стороне трубки, вследствие чего время пребывания зерен в этой области теплообмена значительно увеличивается. Еще одной причиной ослабления поперечного обтекания является тенденция к охвату пузырями нижней поверхности трубок. С увеличением числа псевдоожижения интенсивность движения зерен в застойных зонах возрастает относительно быстрее, чем в незаторможенном слое, где зерна и при небольших скоростях газа перемешиваются весьма интенсивно. Это ведет к заметному росту коэффициента теплоотдачи.

Объяснение отличия экспериментальных значений атах от значений коэффициента, посчитанных по формуле (3), следует искать в разных условиях проведения экспериментов, конструкции теплообменника и расположении его в слое, что может заметно влиять на величину коэффициента теплоотдачи.

Кроме уже перечисленных фактов существенное влияние на теплообмен оказывают конструкция и параметры газораспределительных устройств, поскольку они в значительной мере определяют качество структуры псевдоожиженного слоя. Следует отметить, что роль газораспределителя в теплообмене в настоящее время освещена недостаточно и требует детального изучения.

Список литературы

1. Кунии, Д. Промышленное псевдоожижение/ Д. Кунии, О. Левеншпиль. -М.: Химия, 1976. - 447с.

2. Забродский, С.С. Гидродинамика и теплообмен в пвевдоожиженном (кипящем) слое/ С.С. Забродский. М.-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 488с.

3. Катасонов, И.В. Автореферат кандидатской диссертации/ И.В. Катасонов. М.: МХТИ им. Д.И. Менделеева, 1977.

УДК 66.097.3:546.763

Ю.М. Комаров, Н.Н. Смирнов, А.П. Ильин, И.В. Сушков

Ивановский государственный химико-технологический университет, Иваново, Россия

СИНТЕЗ МЕДЬСОДЕРЖАЩИХ КАТАЛИЗАТОРОВ В УСЛОВИЯХ МЕХАНОХИМИИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АКТИВНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД.

The method direct mechanochemical synthesis with use gaseous (NH3, CO2, H2O, O2) and solid components (Cu, Zn) was investigated. This method allows to receive carbonatodiamminecopper, carbonatoam-minezinc, carbonates of copper and zinc and their double salts without of a liquid phase. The parameters of synthesis and structure of the received products was investigated. The dependence of influence of parameters of synthesis on catalytic activity of end-products was established.

Исследован метод прямого механохимического синтеза (МХС) с использованием газообразных (NH3, CO2, H2O, O2) и твердых компонентов (Cu, Zn) позволяющий получить, аммиакаты, карбонаты меди и цинка и их двойные соли без участия жидкой фазы. Изучены параметры синтеза и структура полученных соединений. Установлена зависимость влияния параметров синтеза на каталитическую активность конечных продуктов.

Существующие методы приготовления солей меди и цинка, служащих сырьем для производства медьсодержащих катализаторов для таких процессов, как конверсия СО, синтез метанола, очистка газов и др., характеризуются многостадийной схемой основного производства, а также сложной технологией самого сырья и полупродуктов. Совершенствование существующих методик связано с разработкой новых подходов в приготовлении и поиске доступных и дешевых источников сырья. В частности в последнее время в технологии приготовления катализаторов находят применение механо-химические методы синтеза.

Метод механохимического синтеза (МХС) с использованием химически активных газовых сред позволяет сократить стадийность производства и снизить количество используемой воды. Применение активных газовых сред в ходе механохимической активации позволяет синтезировать катализатор непосредственно из металлов и оксидов,