Каталитический риформинг бензинов. Теория и практика

Диффузионный модуль Тиле для химической реакции первого порядка находится по формуле

? = V

/S

(K/D

)1/2,

где V

и S

– объем и внешняя поверхность частицы катализатора; K – константа скорости реакции, отнесенная к объему частицы; D

– коэффициент эффективной диффузии.

Зависимость коэффициента эффективности от модуля Тиле для изотермической реакции представлена на рис. 14 [58].

Рис. 14. Зависимость коэффициента

эффективности от модуля Тиле

Основные реакции платформинга являются эндотермическими.

Эндотермичность приводит к снижению температуры в грануле катализатора и уменьшению скорости реакции по сравнению с таковой на поверхности гранулы. Это приводит к дополнительному снижению коэффициента эффективности, что демонстрируется на рис. 15.

Рис. 15. Изменение коэффициента эффективности в зависимость от ?:

? = (–?Н) D

C

/?T

; ?T = ?T

, где ?Н – энтальпия химической

реакции, D

– коэффициент диффузии, С

– концентрация реагента на поверхности гранулы, ? – коэффициент теплопроводности материала гранулы, Т

– температура на поверхности гранулы,

?T – градиент температуры по сечению гранулы, ? < 0 для эндотермических реакций и ? > 0 для экзотермических реакций

С учетом небольшого размера молекул, участвующих в реакциях риформинга, можно было ожидать, что диффузионные затруднения будут отсутствовать, однако использование катализаторов с высокой удельной поверхностью и, следовательно, с узкими порами, с одной стороны, и высокие скорости реакций, связанные с применением платины и повышенных температур, с другой стороны, объективно создают условия для протекания реакций риформинга во внутридиффузионном режиме.

По данным [17], дегидрирование циклогексана уже при температуре 430 С на платиновом катализаторе с диаметром гранулы 3 мм (размер гранул монометаллических катализаторов риформинга первого поколения) протекает в условиях сильного диффузионного контроля: коэффициент эффективности ? составил 0,38.

Это означает, что более 60 % удельной поверхности катализатора используется неэффективно из-за сильного падения концентрации циклогексана в центральной части гранулы.

Снижение размера гранулы с 3,0 до 1, 6 мм, применяемых в современных катализаторах, позволяет уменьшить модуль Тиле в 1,9 раза и за счет этого увеличить эффективность использования внутренней поверхности катализатора.