ЛАБОРАТОРНЫЕ И ПРОМЫШЛЕННЫЕ КАТАЛИТИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Проектирование и использование реакторов лабораторного масштаба для изучения катализаторов может быть очень запутанным процессом. Лабораторные каталитические реакторы используются для различных целей, включая скрининг и оценку катализатора, определение данных реакции, моделирование условий промышленного процесса, исследования предварительной обработки или старения катализатора и т.д. Каждая из этих целей зависит от конкретной конструкции реактора для достижения значимых результатов. В этой заметке Альтамиры рассматриваются три распространенных области применения реакторов лабораторного масштаба и пригодность различных типов реакторов для этих различных исследовательских и опытно-конструкторских работ.  

ОЦЕНКА КАТАЛИЗАТОРОВ

Каталитические реакторы обычно используются в исследовательских лабораториях для оценки или "скрининга" катализаторов. Часто это включает в себя тестирование десятков или сотен катализаторов с очень похожими составами и простое сравнение их активности и/или селективности по отношению к конкретной реакции. Для таких случаев необходимо только, чтобы полученная информация отражала истинные тенденции в поведении этих катализаторов, и могут подойти довольно простые лабораторные реакторы.

Для такого рода исследований обычно выбирают небольшие реакторы с неподвижным слоем. Реакторы с неподвижным слоем просты в изготовлении, могут удовлетворительно работать только с небольшим количеством катализатора (важный критерий, если синтезируются только лабораторные количества катализатора), и при правильном выборе условий эксплуатации могут работать изотермически и с минимальными транспортными эффектами. Эти реакторы с неподвижным слоем могут работать как в дифференциальном, так и в интегральном режиме. Однако для проведения значимых сравнений между катализаторами общую конверсию следует поддерживать на низком уровне, чтобы различия в каталитической активности стали очевидными. Реакторы с неподвижным слоем импульсного типа, в которых реагенты периодически пульсируют над слоем катализатора, в противном случае их поддерживают в потоке инертного газа, также могут использоваться для быстрого просеивания катализаторов. Однако, поскольку данные, полученные из этих реакторов, не получены в стационарных условиях, необходимо соблюдать осторожность при сравнении информации об активности или селективности катализаторов, которые находятся на разных частотах импульсов.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОБСТВЕННЫХ КИНЕТИЧЕСКИХ ДАННЫХ При выборе лабораторного каталитического реактора для получения собственных кинетических данных необходимо работать с минимальными градиентами тепла и массы, чтобы полученная информация точно отражала истинный химический состав реакции и чтобы на нее не влияли эффекты переноса. Таким образом, хотелось бы использовать реактор такого типа, который имеет четко определенное аналитическое решение их кинетических уравнений. Как подробно описано в предыдущей заметке Altamira, существует три типа таких реакторов, а именно периодического действия, CSTR и plug-flow. В идеале они должны работать в изотермическом режиме, и должны быть проведены экспериментальные испытания как на ограничения теплопередачи, так и на массоперенос, чтобы убедиться, что полученные результаты действительно обусловлены внутренней кинетикой реакции. Из идеальных типов реакторов, пожалуй, наиболее часто используемым является CSTR. CSTR представляет собой реактор с идеально перемешанным потоком и характеризуется тем, что реагирующая смесь имеет тот же состав, что и выходной поток. CSTR может принимать различные формы, включая емкости со смесью рабочего колеса, системы внешней рециркуляции с использованием насосов и емкости с внутренней рециркуляцией, такие как реакторы Berty или Carberry. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ДЛЯ МАСШТАБИРОВАНИЯ В дополнение к получению собственных кинетических данных иногда необходимо управлять реактором таким образом, чтобы максимально точно имитировать поведение крупномасштабного реактора. В этих случаях речь идет о проектировании реактора, имеющего распределение фаз, приближенное к распределению фаз в интересующем крупномасштабном реакторе, и имеющего размеры и параметры, соответствующие размерам крупномасштабного реактора. Таким образом, тип используемого лабораторного реактора должен быть того же типа, что и большой реактор. Кроме того, он должен работать в условиях температуры, давления, концентрации реагентов и формы катализатора, которые по существу такие же, как будут использоваться в реакторе большего размера. РЕЗЮМЕ

В таблице 1 приведены сведения о нескольких распространенных типах реакторов и некоторые из их важных характеристик. Лабораторные реакторы могут быть различных размеров и типов, и наилучший выбор реактора будет зависеть от целей, которые вы хотите достичь. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ Общие ссылки 0. Левеншпиль, "Разработка химических реакторов", John Wiley &Sons, Нью-Йорк, (1972). Дж.Дж. Карберри, "Разработка химических и каталитических реакторов", Макгроу-Хилл, Нью-Йорк (1976). Х.Ф. Рейз, "Проектирование химических реакторов для технологических установок. Том первый: Принципы и методы", John Wiley &Sons, Нью-Йорк (1977). J.C.R. Тернер, Введение в теорию каталитических реакторов, в "Catalysis Science and Technology" (J.R. Anderson и M. Boudart, ред.), Springer-Verlag, Нью-Йорк (1981). Реакторы с неподвижным слоем H.F. Rase, "Проектирование и диагностика реакторов с неподвижным слоем", Баттервортс, Бостон (1990). СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (Продолжение) Реакторы рециркуляции J.J. Carberry, инд. англ. Chem., 56, 39 (1964). D.G. Tajbl, J.B. Simons и J.J. Carberry, Основы I & EC, 5, 171 (1966) J.M. Berty. Хим. англ. Прог., 70, 78 (1974) К.О. Беннетт, М.Б. Катлип. и C.C. Yang, Chem. Eng. Sci.. 27, 2255 (1972), V.W. Weekman, AlChE J., 20. 833 (1974).