Решение задач на примере работы реакторов для реализации гетерогенных некаталитических процессов. Практическая работа

Задание 1.
Рассчитайте время τп необходимое для полного сжигания частиц графита плотностью ρВ=2,2 г/см3 нескольких проб разных размерных фракций ( с радиусами R0= 1, 2, 3, 4, 5, мм) в входящих газовых потоках, содержащих разные концентрации кислорода (СА0=5, 10, 15, 20%) при температуре Т=900 0С и константы скорости реакции горения k=20 см/с. На основе полученных данных в координатах x(τп)-y(R0) построить графики с разными концентрациями кислорода в газовом потоке на входе в реактор (СА)

Для случая высоких скоростей газа внешняя диффузия кислорода к поверхности графита не вносит вклад в общее сопротивление процесса. Поскольку частицы графита полностью сгорают, то скорость рассматриваемого гетерогенного процесса определяется скоростью химической реакции.
Время полного превращения рассчитывают по уравнению
где ρВ – плотность графита, привести к размерности моль/см3, варианты концентраций кислорода в газовом потоке преобразовать по формуле САi =(СА0/22400)(273/(273+Т)) моль/см3
b=1 – стехиометрический коэффициент углерода в реакции: С+О2→СО2
По данным сводной таблицы построить графики и сделать выводы.
Последовательность выполнения задания

Задание 2.
Определите лимитирующую стадию гетерогенного процесса, если он подчиняется модели фронтального перемещения зоны изотермической реакции сферических частиц вещества В(тв) одного размера в печи обжига с газовым пространством А(г) постоянного состава:
A(г) + B(тв) = P(г) + S(тв).
При испытаниях установлено, что за 2 секунды частицы реагируют на 30% (τ=2с , ХВ=0,3), а за 5 с – на 75% (τ=5с , ХВ=0,75).

Полное время превращения τп в модели с фронтальным
перемещением зоны реакции является константой, не зависящей от времени пребывания частиц в реакторе. Если лимитирующая стадия существует, то подстановка экспериментальных данных в одно из ниже приведенных уравнений покажет, что τп останется постоянным при любых опытных значениях τ и соответствующих ХВ.
Ход выполнения задания

Задание 3.
Рассчитать степень превращения твердого вещества , состоящего из смеси частиц Fi(Ri) разного размера Ri (состав приведен в таблице), которые реагируют с газом в реакторе с движущимся слоем в режиме идеального вытеснения за время пребывания в аппарате τ =480 с, если известно время полного превращения частиц однородного состава соответствующих размеров τп(Ri) (время приведено в таблице).

Последовательность выполнения задания
1) Уточняют лимитирующую стадию гетерогенного процесса, сравнивая соотношения размера частиц с соотношением соответствующих времен полного их превращения, и если они примерно равны, то подтверждается версия лимитирующей стадии химической реакции, т.е.
(R1/R1)=(R2/R1)=(R3/R1) =…=(Ri /R1)≈(τп1/τп1)=(τп2/τп1)=(τп3 /τп1)=…=(τпi /τп1)
2) Проверяют степень влияния частиц каждого размера на степень превращения твердого за время их пребывания в реакторе по условию задачи τ, и тогда составляют выражение для степени превращения по уравнению:
3) Если процесс лимитируется химической реакцией, то степень превращения будет связана со временем процесса следующим образом:
Подставляя формулу в предыдущее выражение находят искомое значение средней степени превращения твердого материала,

Задание 4.
Определить фактическую долю не прореагировавшего в процессе обжига зерен пирита одинакового размера в реакторе с псевдоожиженным слоем твердой фазы, если полное время пребывания каждой частицы в аппарате τ=10 минут, среднее время пребывания частиц в аппарате =40 минут,
а время полного превращения частицы связано с ее размером соотношением τп ≈ R1,5

Во время реакции на поверхности частиц пирита образуется твердая пленка пиритных огарков, и таким образом, внешней диффузией при анализе гетерогенного процесса можно пренебречь. Но необходимо установить лимитирующую стадию (химическая реакция, или внутренняя диффузия или их консолидирующее влияние). Если τп ≈ R ,то лимитирует химическая реакция, если τп ≈ R2, то внутренняя диффузия, если внутри этого интервала, то оба фактора. В псевдоожиженном слое вещество ведет себя аналогично потоку в РИС и для условий применения частиц равного размера в расчетах используют выражения:
1) Если лимитирует химическая реакция то выбирают зависимость в эквивалентной форме:
2) Если лимитирует внутренняя диффузия, то:
3) При консолидированном влиянии используют оба выражения, а фактический результат представляет собой среднеарифметическое значение.
Ход выполнения задания

Задание 5.
Рассчитать степень превращения твердого вещества , состоящего из смеси частиц Fi(Ri) разного размера Ri (состав приведен в таблице), которые реагируют с газом в реакторе с кипящим слоем в режиме идеального смешения со скоростью подачи исходного вещества F=0,5 кг/мин и количеством продукта в псевдоожиженном слое W=5 кг, если известно время полного превращения частиц однородного состава соответствующих размеров τп(Ri), (время приведено в таблице).Частицы продукта в ходе реакции не изменяют массы, размеров и не выносятся за пределы реактора, а лимитирующая стадия – химическая реакция.