автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Динамика адиабатических каталитических реакторов очистки газовых выбросов

РГб од

ДПР 133*8

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 3НАМШ НАУЧИО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКШ ФИЗИК0-ХИШ1ЧЕСКШ ИНСТИТУТ имени Л.Я.КАРПОВА

На правах рукописи УДК 541.128: 66.011

ОКУНЕВ БОРИС НИКОЛАЕВИЧ

дшшма АДИАБАТИЧЕСКИХ КАТАЛИТИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ ОЧИСТКИ ГАЗОВЫХ ВЫБРОСОВ

Специальность 05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994 Г.

Рзоота выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Научно - исследовательском физико - химическом институте имени Л.Я.Карпова

Научный руководитель •'

Официальны»; оппонента:

кандидат технических наук В.Л.Махлин

д-.ктор химических наук М.С.Сафонов

кандидат технических наук ¡и.М.Волин

' Ведущая организыда: Государственный институт

азотной промышленности

Зашита состоится р^Ь " г- в !Э час.

на заседании специализированного ^совета Д-138.02.05 при Научно-исследовательском физико-химическом институте имени Л.Я.Карпова по адресу: 1и30б4, Москва, ул.Воронцово 1юле, 10

Ученый секретарь специализированного совета

кандидат физико-математических наук . А.В.Вязьмин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Каталитическая очистка газовых зыбросов, осуществляемая посредством дожигания горючих вредных гримесей, является эффективным способом защиты окружающей среды, фактическая привлекательность осуществления этого процесса в даабатических реакторах связана с простотой его шпаратурно-технологического оформления. Эксплуатация установок :аталитического обезвреживания газовых выбросов осложнена влетят затухания или перегрева слоя катализатора при колебаниях ходных параметров и требует принудительной стабилизации теплового ежима. Разработка системы управления требует в свою очередь яания динамических характеристик реактора. Из-за отсутствия таких яйний на практике вынуждены осуществлять процесс на установках зрмокаталитического обезвреживания, которые оснащаются горелками топливным газом, предназначенными для сглаживания пульсаций зилового режима. Однако это ведет к дополнительным гергозатратам.

В научной литературе имеется большое количество работ, священных математическому моделированию адиабатических 1талитических реакторов. Однако анализ этих работ показывает, о подходы к разработке алгоритмов управления процессом в стоящее время отсутствуют.

Цель работа. Исследование диапазана флуктуаций входных раметров, не выводящих реактор из внешнедиффузионного режима; зработка критериев, определяющих условия срыва этого режима; учение влияния тепло- физических и гидродинамических свойств зтемы, активационных параметров и теплового эффекта химической акции на диапазон допустимых флуктуаций входных параметров; зледование требований к быстродействию регулирующих устройств.

_ о -

Научная новизна. Методом математического моделирования на основе двухфазной диффузионной модели исследованы особенности динамики .ьнешнедиффузионного режима процесса каталитического обезвреживания газовых выбросов при изменяющихся во времени значениях входных параметров.

1) Установлено, что в пространстве входных параметров существует область, все динамические изменения внутри которой как пс амплитуда, так и по длительности нэ выводят реактор и: внвшнедиффузионного режима и носят обратимый характер. Получень приближенные аналитические выражения для границ этой области.

2) Изучены закономерности " изменения границ соласт! шешнэдиффузионных режимов от скорости газч на входе в реактор ] геометрии аппарата (шахтного и радиального типов). Показано. чт< при уменьшении скорости газа рабочая область внешнедиЗфузиокны режимов расширяется.

3) Получены приближенные аналитические выражения для расчет критической длительности воздействия импульса пониженно концентрации и температуры, позволяющие сформулировать требОЕанж предъявляемые к инерционности автоматических регулируш» устройств.

4) Сформулирован способ анализа переходных процессов каталитическом реакторе на фазовых диаграммах входных параметре "концентрация-температура" газа, который позволяет предсказыва' состояние эволюции реактора вследствие динамического воздействи. не прибегая к решению нестационарной диффузионной модели, звклшаидийся в.сопоставлении взаимного положения меняющейся временем рабочей точки значений входных параметров и крив затухания.

Практическая ценность работы. Новые подходы и критерии анализа динамических рекимов могут быть использованы в инженерной фактике для разработки и проектирования установок каталитической зчистки.

Рассчитан реактор каталитического дожита и выданы эекомендации для проектирования установки обезвреживания газовых выбросов от примесей этилена и оксида углерода производства ДХЭ жислительным хлорированием этилена на Саянском АО "Химпром".

Автор защищает:

1. Новый подход .и критерии анализа динамических режимов адиабатических каталитических реакторов в рамках двухфазной диффузионной модели, заключаться в том, что на фазовой плоскости зходных параметров "температура газа - концентрация газа" строится кривая затухания для реактора, которая позволяет определить нижнюю границу области значений входных параметров, обеспечивап$их .тротекание процесса-во внешедиффузиошюм режиме.

2. Приближенные аналитические выражения, позволяющие проводить построение кривой затухания, не прибегая к трудоемкой троцедуре решения двухфазной диффузионной модели, и оценить амплитуду и продолжительность воздействия импульсов пониженной концентрации и температуры, приводящих к срыву внешнедиффузионного режима.

3. Закономерности влияния физико-химических, гидродинамических и тепло-физических свойств системы на положение границ- рабочей области реактора, обеспечиваниеЯ устойчивую работу реактора во внеинедиффузионном режиме.

4. Способ анализа переходных процессов в каталитическом реакторе на фазовых диаграммах входных параметров, включающих кривые затухания. Способ позволяет предсказывать состояние

эволюции реактора, не прибегая к решению нестационарной диффузионной модели, и заключается в сопоставлении взаимногс положения меняющейся со временем рабочей точки значений входных параметров и кривой затухания.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на Меадународной конференции "Нестационарные процессы в катализе. Новосибирск 1990", Юбилейной конференции ШФХИ им. Карпова в 1993 г. и конференции "Математические методы в химии - 8" в г. Тула в 1993 г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 3 работы. Структура и объем диссертации. Диссертация включает введение, шесть глав, обсуадение результатов и выводы, список цитируемой литературы (20. наименований). Работа изложена на 123 страницах и содержит 25 рисунков.

ОБОЗНАЧЕНИЯ о - удельная теплоемкость (Дк кг-1 К-1), о - массовая концентрация горючего компонента (кг , с - объемная концентрация горючего компонента (об.доли), э*.- эффективный коэффициент диффузии (м2/с)-, Е - энергия активации (Дк моль"1), Н - тепловой эффект реакции (Дж кг-1),

к - константа скорости реакции (с-1),

* —1

к. - предэкспоненадальный множитель (с ),

т - температура (К),

г - время (с),

V - скорость газового потока (м с-1),

ъ - пространственная координата по высоте слоя (м),

а - объемный коэффициент теплоотдачи.(Дж м-3 с-1 К~1),

р - объемный коэффициент внешнего массопереноса (с-1).

порозность.слоя,

* - эффективный коэффициент теплопроводности (Дж м~1с~1К~1), - плотность (кг м-3).

• ИЩЩКСИ

§ - газ, в - катализатор, н.у. - норм.условия, ±п- на входе в реактор, ех - затухание.

В первой главе выполнен анализ работы наиболее зспространенннх реакторов • каталитического дожита вредных римесей. Отмечено, что применение установок очистки, работающих стационарном режиме, затруднено _в связи с отсутствием алгоритмов давления процессом в условиях меняющихся входных параметров, что зязано с недостаточной изученностью динамического поведения 1талитического реактора в этих условиях.

Сделан' обзор работ по математическому моделированию, динамики ¡талитических реакторов на основе двухфазной дифЗрузионной модели. I анализа литературных данных видно, что при моделировании ¡иабатического реактора по двухфазной модели наблюдается вжественность стационарных состояний. Отмечено, что результаты их исследований не содержат подходов к определению условий срыва ешнедиффузионного режима и переходу реактора в кинетический жим либо в стационарный режим из области неединственности и не ют критериев, определяющих. конечное состояние системы после эхокдения различных возмущений на входе в реактор.

Во "второй главе выполнены исследования с целью изучения ХЗенностей динамического поведения каталитического реактора при змущениях 'внешнедиффузионного режима, определения -диапазона рктуаций входных параметров, не выводящих реактор из этого шма, и. разработки критериев, определяпцих условия его срыва.'

Эти исследования проводились на основе модифицированног двухфазной диффузионной модели зернистого слоя , которая да? каталитической реакции первого порядка имеет вид (1).

а , й

р Лг-5 = -(1 г) + Емс'а V .

ег_ а „ ат,,

рв°к —ё = — Г" " РЛтаг> " « (Т--т )(1-е)/е

в к at az 8 az Bes в °

ac a . ac

— = — --ve) - и с (i-e)/8

at az 6 ez

(i)

и Tin

u = '- 5 Pg = Pin - 5 Y = Vin - !

' * + P V ■ Tin

k = k* exp(-E/RTs).

Граничные условия задачи выбирались в формулировке Данквертса. Коэффициенты тепло- и массопереноса вычислялись по известны критериальным уравнениям. °

Эта модель учитывает теплообмен меаду, газом и катализатором диффузионный и конвективный перенос по веществу и теплу в газовс фазе, продольный перенос тепла по скелету насыпного слоя, перенс вещества из газа к внешней поверхности катализатора, реакцию г поверхности катализатора, а также изменение плотности газовс смеси с температурой в соответствии с уравнением состояния газа приближении постоянства давления и изменение скорости газа соответствии с уравнением неразрывности потока. В задачах очисп количество горючих компонентов в смеси мало и можно принять, ч: плотность газовой смеси равна плотности инерта.

Поскольку большинство реакций, представляющих практический штерес, в том числе и окисление этилена, оксида углерода на шюмо-медао-хромовых катализаторах, относятся к реакциям, для юторых изменения поверхностных концентраций протекают достаточно ¡ыстро, концентрацию вещества на поверхности катализатора считали ;вазистационарной.

Для решения поставленных задач было введено понятие кривой ¡атухания для реактора как множество точек на фазовой плоскости входная концентрация-входная температура газа", которые отделяют класть существования внэашедиффузиокныг стационарных режимов от ■блести единственности кинетических режимов.

Сходное понятие кривой затухания встречается, в традиционной адаче о гетерогенной экзотермической реакции на поверхности :атализатора в условиях ограниченного тепло- и массопереноса Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической инепше], где эта кривая отделяет множество значений концентрации температуры газа, при которых алгебраическое уравнение теплового аланса имеет решение кинетического типа, от значений, где озможны как кинетический, так и внешнедиффузионннй режим.

В отличие от нее при построении кривой затухания реактора

ля каждой входной температуры газа необходимо определить такое

ритическое значение входной концентрации горючего компонента, \ *

иже которого существует только решение кинетического типа тационарной краевой задачи для системы нелинейных ифференциальных уравнений диффузионной модели, т.е. такое эшение, для которого выполняется условие к « р по всей высоте лоя. Решение этой краевой задачи включает в себя выбор метода исленного решения и начальное приближение. Построение кривой атухания проводилось при различных начальных приближениях и

методах, включая комбинированный метод прогонки и итераций. Проводились также аналогичные вычисления при фиксированной концентрации 'И определялись критические значения температуры. Совпадение .полученных при этих различных условиях критических значений позволяло принимать решение о том, что данная точка фазовой плоскости принадлежит кривой затухания.

На.первом этапе исследований рассмотрение поставленных задач проводилось на примере окисления этилена на катализаторе ИКТ-12-8.

Численными методами изучено динамическое поведение реактора для этой системы при конечных возмущениях входных параметров. Установлено, что если для некоторых значений входных параметров из области существования-внешнедиффузионных режимов, т.е.'выше кривой затуханияреактор работает в этом режиме, то при любых изменениях во входных параметрах как по амплитуде , так и по длительности внутри этой области реактор будет продолжать работать в этом режиме. Кроме того, внутри этой области обеспечивается обратимость переходных процессов. При уменьшении концентрации ниже кривой затухания возможен срыв внешне диффузионного режима.

Изучены нестационарные переходные процессы в реакторе при различных значениях длительности импульсов от I до Ю3 секунд, при произвольных амплитудах импульсов.. Исследовались как отдельные импульсы изменения входных параметров, так и серии импульсов. Во всех рассматриваемых случаях при изменении входных параметров выше кривой затухания температура слоя была такой, что во всех точках реактора осуществлялся внепшедиффузионный режим.

Таким образом, . для шяснещя характера динамического поведения каталитического реактора при возмущении входшп параметров сопостовленив . амплитуд изменения этих, параметров с вычисленной областью существования внешнедиффузионных режимов

может служить критерием срыва этого режима при рассматриваемых изменениях входных параметров.

Поскольку установленные закономерности представляют больной практический интерес для инженеров-разработчиков процессов каталитической очистки, представлялось интересным посмотреть, насколько общими являются эти закономерности.

С,'этой целью была изучена зависимость динамического поведения реактора от физико- химических параметров модели. Были проведены аналогичные расчеты при- других значениях этих параметров. Так,

значение энергии активации Е варьировалось от 60 до 200 кДж/моль,

* к тя

предэкспоненциальный множитель к - от го до 10 1/сек, размер

частиц катализатора, который входит в критериальные выражения для

определения коэффициентов тепло- и массопереноса, - от 2 до 10 мм,

порозность слоя в - от 0.3 до.0.7, высота насыпного-слоя - от 100

до 400 мм, скорость газового потока - от 0.1 до .2.0 м/сек.

Значение эффективного коэффициента теплопроводности по слою, по

литературным, данным состовляэт менее I Дж/м/сек/К . В данной

работе этот коэффициент варьировался от 0 до 20 Дж/м/сек/К .

Установлено, что положение кривой затухания сильно зависит от активационных параметров кинетической модели реакции к*, Е и теплового эффекта реакции н . При увеличении энергии активации Е область существования внешнедиффузионных режимов сужается: гребуются более высокие температуры и концентрации для поддержания . з системе этого режима. При увеличении предэкспоненциального оюжителя к* для поддержания внешнедиффузионного режима достаточно ■меренных концентраций и температур - область существования■этого южима расширяется. Аналогичным образом, она ра'сширяетоя при ■величании теплового эффекта реакции, хотя в этом случае'значение ритической температур! не изменяется - положение кривой затухания

снижается по концентрационной координате, размеры области по температуре сохраняются.

Размеры частиц катализатора незначительно влияют на положение кривой затухания, поскольку значения этих величин входят в критериальные выражения для коэффициентов тепло-массопередачи, где в применяющемся на практике диапазоне скоростей и температур наблюдается слабая зависимость от этих параметров.

Влияние величин перечисленных параметров да амплитуд» и длительности переходных процессов при возмущении стационарного внешнедиффузионного состояния различно. Однако приведенные выше закономерности сохраняются. Это позволяет предполагать, что эти закономерности носят общий характер для описания динамического поведения адиабатических реакторов, работающих во внешнедиффузионном рекиме, и могут быть использованы для решения широкого круга как научных, гак .и прикладных задач.

Проведено построение области входных параметров, обеспечивающих устойчивую работу реактора во внешнедиффузионном режиме на основе приближенных аналитических решений. Такое построение позволяет изучать положение кривой, затухания для реактора в зависимости от расхода газа, физико-химических свойсть катализатора, структуры .и габаритов насыпного слоя, конструкцш аппарата и т. п. , не прибегая к численному счету по диффузионно! модели .

Вне окрестности критической температуры кривая затухания дл: реактора слабо зависит от эффективных коэффициентов продольно! диффузии и теплопроводности по газовой фазе, а также коэффициент; продольной теплопроводности по твердой фазе*. Поэтому дл. нахождения аналитического решения задачи было выполнено построен» кривой затухания для реактора в приближении идеального вытеснения

В таком приближении баланс тепла по слою катализатора в локальном объеме реактора с концентрацией горючего компонента с (г) и температурой газа ^(г) имеет следующий вид:

н ы с - а сгв-т ) (2)

Традиционно решения этого уравнения анализируются, используя "метод разложения экспонента", который дает достаточно точные результаты для определения условий зажигания в задачах горения и взрыва, но для определения условий затухания точность таких расчетов будет меньшей. Поэтому предложено построение приближенного решения путем разложения соответствующего решения задачи (2) в ряд по малому параметру 1/х, . где Ь = 1п ( ):

( 1--2 ' + ' <3а>

е Ь+2 (ы-2)

е 1п(ь-ть£-1) а-тх2-1;

X, ( 1 -(Ь+2)Х )

+ 0(1/Ь2), (ЗЬ)

где 1 = т в/е , т < ,' - критическая

б 6 5 о

температура.

а V )

свх = ---(30)

со н

На основе полученного решения . (з) и используя уравнение теплового баланса в адиабатическом реакторе

11 С + Т„ = И СЫ +■ Т^11 , (4)

& &

где ь = н.р* у /; р* у - плотность горючего компонента,

и <г_

на фазовой плоскости "входная концентрация - входная температура газа" построена область значений с^.т^" , для которых существуют стационарные состояния, отвечающие работе реактора во внешнедиффу-зионном режиме. В приближении идеального вытеснения построены также линия перегрева катализатора и кривая заданной конверсии.

Объединяя значения входных параметров, удовлетворяющих всем требованиям проведения процесса, получена область в пространстве входных параметров (крчвая 1 на Рис. I), в которой: I) реактор работает во внешнедиффузионном режима и все изменения входных параметров внутри этой области не выводят рея-тор из этого режима (выше кривой а); 2) катализатор не перигревается (ниже кривой ъ);

3) обеспечивается заданная степень.очистки (выше кривой о).

Для оценки справедливости этого метода построения рабочей области входных параметров1 проведено сравнение полученной области

I

с областью, вычисленной по полной модели (1) для процессов обезвреживания этилена (кривая 2 на Рис. I). Видно, что, пользуясь приближенными выражениями для кривой затухания (з) и описанной в работе процедурой построения искомой рабочей области, можно достаточно точно оценить диапазон допустимых входных параметров, не прибегая к численному решению системы уравнений (1);

Таким образом, определение области стабильной работы реактора каталитического дожита по диффузионной модели сводится к нахождению кривой затухания для реактора, отделящей область единственности кинетических режимов от области существования внешнедафй/зйонных стационарных режимов.

В третьей главе исследовано влияние расхрда газа и геометрии слоя катализатора на положение границ рабочей области. Показано, что при уменьшении скорости газа границы рабочей области расширяются. Это обусловлено воздействием двух факторов: снижение

Рис. 1

Рабочая область внешнедиффузионных режимов, рассчитанная 1 - приближенным методом , ч 2 - вычислением по полной модели (1)

интенсивности тепдо-массо переноса понижает положение кривой затухания, а увеличение времени пребывания газа в зоне реакции понижает положение кривой заданной конверсии. На Рис. 2 показано изменение границ рабочей области при различных скоростях газа на входе в реактор. Расширение области внешнедиффузионшх режимов приводит к тому, что реактор может стабильно работать пря значительно больших диапазонах колебаний входных параметров. Такт образом, Рис, 2 наглядно показывает , что для большей надежноси необходимо работать при меньших скоростях газа.

Кроме того, становится очевидным, что резкие увеличен» скорости газа на практике могут привести к затуханию слоя : пр таком скачкэ скорости кривая затухания на фазовой плоскосп смещается вправо и проходит через точку с рабочими значениям концентрации и температуры, что приводит к срыв внешнедиффузионного режима.

Необходимо также иметь в виду, что при разработке процесс поиск рабочей области процесса осуществляется в пространстве тре параметров: " с1" - т*11 - V111

Для изучения рабочих областей радиального реактора и влияш; геометрии слоя катализатора задача (1) решалась в цилиндричесю координатах. Кроме перечисленных процессов модель описывае изменение скорости газа с радиальной координатой в соответствии уравнением неразрывности газового потока.

Сделано сравнение области рабочих режимов для реактор шахтного и радиального типов при одинаковой толщине насыпно: слоя. Их сопоставление показывает, что при одинаковых входа скоростях и толщине слоя в случае подачи газа с внешней сторо радиального реактора рабочая область диффузионных режимов меньше чем для реактора шахтного типа; в случае подачи газа изнут

С|П(% об.)

т'п(°с)

Рис. 2

Рабочая область при различных скоростях газа для реактора шахтного типа

рабочая область внешнедиЩ&узионных режимов становится больше, чек для реактора шахтного тина. С увеличением входной скорости газг разница в положении границ увеличивается и становится особеннс значительной, когда толщина насыпного слоя радиального реакторг сравнима с его радиусом. • .

Это обусловлено различием профилей скорости газа пс радиальной координате слоя катализатора, которое сказывается на степени , превращения горючего компонента, т.к. до внешнедиффузионно-контролируеиых каталитических реакций степеш превращения . определяется при прочих равных условиях скоросты массопёреноса, которая является* функцией скорости газа в реальные условиях, в также временем пребывания газа в гоне реакции.

В четвертой главе ' формулируются принципы анализ! динамического поведения реактора на фазовых диаграммах входные параметров, включающих кривые затухания, . которые позволяй предсказывать конечное состояние эволюции реактора посун динамического воздействия, не прибегая к решению нестационарно! диффузионной модели.

Предварительно показано, что полученные закономерном] динамического поведения каталитических реакторов можно применят: не только для случая, когда начальным состоянием реактора являете: внешне диффузионный стационарный режим, но и тогда, когда качестве начального условия выбираются профили концентрации ] температуры, принадлежащие области множественности стационарны: решений, т.е. когда входные параметры лежат вьше кривой затухания Для этого в качестве начального условия для изучени динамического поведения реактора при возмущениях входны параметров газа Орались профили из области множественном стационарных состояний. Сопоставление решения нестационарно

задачи и анализа взаимного положения начальных значений параметров, критических значений и кривых затухания для перечисленных параметров на фазовой диаграмме показало, что конечное состояние эволюции нестационарной задачи совпадает с тем, которое предсказывается из анализа фазовых диаграмм.

Из этого можно сделать вывод, что если состояние реактора в начальный момент времени принадлежит области существования стационарных внешнедиффузионных режимов и рабочая точка при »зменении входных параметров перемещается выше кривой затухания и 1е пересекает эту кривую, то в последующие моменты ■ времени зостояние реактора также будет принадлежать этой области. Таким >бразом, фазовое пространство входных параметров разделяется ;ривой затухания на области, для каждой из которых справедливо ■тверадение: при изменениях входных параметров внутри этой области юнечное состояние реактора также принадлежит этой области.

В пятой главе рассматривается воздействие таких импульсов зменений входных значений концентрации и температуры, при которых абочая точка снижается ниже кривой затухания, и получены налитические выражения для расчета критической длительности оздействия импульса пониженной концентрации и температуры, риводящие к срыву внешедиффузионного режима. Полученные сражения позволяют сформулировать требования к .инерционности втоматических регудоруидих устройств, поддерживающих значения годных параметров внутри рабочей области.

Отмечается, что входные параметры могут снижаться ниже кривой зтухания без срыва ввешнедиффузионного режима реактора. Однако земя импульса пониженной концентрации не должно превышать юдующих критических значений, обусловленных тепловыми юрционными свойствами слоя:

для скачка концентрации ,,:т_р1п

Р8°в 1 2

с*") = -д- ш -- , (5)

для скачка температуры

,Дп _ „Зл

РВ°Б еИ ё.2 --а-*-:-1 ' <6) -

где с^ - рабочее значение концентрации стационарного внешне-диффузионного рекима, с^1- значение, до которого она снизилась;

' ^ё^2 " аналогично; значение сез вычисляется с использованием аналитического решения, по формуле (Зо) для той температуры, при

йг _

которой происходит скачок концентрации; К - аналогично.

о

Из этих, формул видно, что при известной амплитуде колебаний . входной концентрации требования.к быстродействии регулятора определяются разницей между средним рабочим значением и соответствующим критическим значением на кривой затухания: чем меньше разниц; между средним рабочим значением и критическим значением, тем более жесткие требования предъявляются к быстродействию регулирующей устройства. В связи с этим выбор средних рабочих значений входно) концентрации, и -температуры необходимо- проводить в центрально! части найденной области Шешнэдиффузионных режимов. Если рабочв! значение входных параметров выбрано, то чем больше амплитуд импульса, тем более высокие требования дйлжны предъявляться ; быстродействию регулирующее устройств. Результаты расчетов цр возмущении входной концентрации представлены на Рис. 3.. Таки образом, полученные результаты .-позволяю выработать алгоритм управления реактором в режиме дожигателя для обеспечения ег стабильной и эффективной эксплуатации.-

X, с?

N j \ Сех t

Tin •g . At

С2 = const

Срыв диффузионного

режима

~ Диф|ф С1

срыв Диф.

C'j= const

>уз] юнныи; режим

С?.

Сех ^ех

Рис. 3 Характерные времена, приводящие к срыву внешнедиффузионного режима при скачке кон'-ции.

В шестой главе проведен расчет реактора каталитического обезвреживания газовых выбросов от примесей этилена и оксида углерода производства ДХЭ окислительным хлорированием этилена на Саянском АО "Химпром".

вывода

1. Методом математического моделирования на основе двухфазной диффузионной модели исследованы особенности динамических режимов адиабатического каталитического реактора очистки газовых выбросов при возмущениях входных параметров.

2. Установление, что р пространстве входных' параметров "концентрация-температура" существует область, все динамические изменения внутри которой как по амплитуде, так и по длительности не выводят реактор из внешнедайузионного режима и носят обратимый характер. Показано, что нижней границей этой области является кривая затухания для реактора, отделяющая область входных параметров, при которых существует единственное решение кинетического типа стационарной краевой задачи . для системы дифференциальных уравнений диффузионной модели, от области параметров, при которых возможна множественность стационарных решений.

3. Установлено, что, если в начальный момент времени реактор находится в стационарном внешнедиффузионном режиме , то при скачках входных параметров внутри области существования этих режимов стационарное состояние реактора изменится, но оно такав будет принадлежать этой области. Кроме того, внутри этой области обеспечивается обратимость переходных процессов. При выходе параметров за границы области в системе возникают переходные процессы, приводящие к установлению кинетического режима в системе Если происходит кратковременный выход и возвращение значение

тараметров внутрь области, .то в зависимости от амплитуды и уштельности импульса пониженной концентрации, температуры или говышённой скорости газа в системе реализуются следующие процессы:

реактор будет продолжать работать во . нешнедаффузионном режиме;

- произойдет срыв этого режима и возникнут переходные процессы, риводящие к распространению "ползущего фронта реакции" ; вспространение этого фронта • приведет либо к возвращению зежнедиффузионного режима, либо к полному затуханию слоя -становлению кинетического режима.

. Разработан новый подход к анализу динамического поведения >талитического реактора на фазовой плоскости входных параметров юнцентрация-тешература", позволяющий проводить выбор условий сведения процессов окисления, не прибегая к решению стационарной задачи по диффузионной модели. Этот подход ключается' в сопоставлении взаимного положения точек начальных текущих значений входных параметров и кривой затухания.

Показано, <5то разработанный подход оказывается эффективным в хжом диапазоне параметров двухфазной диффузионной модели.

Получены приближенные аналитические выражения, позволяющие »водить построение границ рабочей области, не прибегая к :ленному решению системы дифференциальных уравнений модели. Изучено влияние положения кривой затухания от активационных аметров и теплового эффекта химической реакция. Изучена зависимость положения границ рабочей области от роста-газа, размера частиц катализатора и геометрии аппарата. Установлены требования к инерционным свойствам управляющих эойств.

выполнен расчет реактора обезвреживания абгазов на Саянском АО шром".

Полученные результаты расширяют представления о динамическо! поведении каталитических реакторов и могут служить в качеств' критериев для оценки условий срыва внешнедиффузионного режима, предложенные подхода к анализу динамических характеристик могу быть использованы для выбора условий осуществления процоссс очистки.

Основные результаты диссертации опубликованы в следуют работах:

1. Окунев Б.Н., Золотарский В.А, Иванов С.И., Махлин В.А. Вношнедиффузионный режим адиабатического реактора каталитическо: очистки отходящих газов. - Международная конференция "Нестационарные процессы в катализе", тезисы докладов Новосибирск, 1990 г., с. 267.

2. Окунев Б.Н., Золотарский В.А, Махлин В.А. Каталитичест очистка газовых выбросов. Математическое моделирование и принт управления процессом во внёпшедиффузионном режиме. - Восы всероссийская конференция "Математические методы в химии (ММХ-8 тезисы докладов, Тула, 1993 г., с. 158.

3. Окунев Б.Н., Золотарский В.А, Махлин В.А. ' Математичес: моделирование и принципы управления процессом каталитичес очистки газовых выбросов во внешнедиффузионном режиме. -

Теор. основы хим. технол. 1994. Т.28. *4.(в печати).