Глава 4 технологический расчет реакторов для проведения топохимических процессов

 

Все реакторные системы для проведения топохимических процессов можно разделить на три основные группы: реакторы с неподвижным слоем твердого материала; реакторы с движущимся слоем твердого материала; реакторы с кипящим (псевдоожиженным) слоем твердого материала (рис. 4.1).

При проектировании таких реакторных систем обязательно необходимо учитывать три основных фактора: кинетику химической реакции, протекающей на поверхности одиночной твердой частицы; распределение размеров твердых частиц в исходном слое материала; гидродинамические условия, при которых находятся в аппарате газовая и твердая фаза.

Технологический расчет для этого типа реакторов состоит в определении средней степени превращения  твердого материала на выходе из реактора.

 

Заметим, что анализ и технологический расчет реакторов значительно упрощается, если допустить, что состав газа одинаков во всем объеме реактора (степень превращения газа мала, газовая фаза в реакторе находится в режиме идеального смешения).

Разберем наиболее часто встречающиеся модели топохимических процессов.

 

§ 1. Режим идеального вытеснения с частицами равного и постоянного размера

     

При движении твердого материала, содержащего частицы равного и постоянного размера в режиме идеального вытеснения, среднее время пребывания отдельной частицы и твердого материала будет одним и тем же (рис. 4.2).

 

 

Следовательно, степень превращения твердого материала на выходе из реактора (х_в) можно определить непосредственно из кинетических уравнений, полученных ранее для различных лимитирующих стадий

                                              ;                                 (4.1)

                            ;                              (4.2)

                                      .                                       (4.3)

§ 2. Режим идеального вытеснения с частицами различных, но постоянных размеров

 

Рассмотрим теперь реактор вытеснения, в который непрерывно загружается твердый материал, состоящий из частиц различного размера, и непрерывно выгружаются продукты реакции.

Допустим, что распределение частиц в твердом материале является дискретным (рис. 4.3).

 

 

Однако известно, что при движении твердого материала в режиме идеального вытеснения каждая частица его будет находиться в реакторе в течение некоторого времени пребывания. Тогда степень превращения х_в(Ri) для частиц каждого размера будет различна и может быть определена из этого времени и выражений (4.1), (4.2) и (4.3)       в зависимости от той или иной лимитирующей стадии процесса.

Отсюда среднюю величину  для твердого материала, выходящего из реактора, можно получить соответственно суммированием степеней превращения частиц различных размеров с учетом их массовой доли в общей массе твердого материала

                                                   (4.4)

или                          .                         (4.5)

Эти уравнения требуют некоторого пояснения. Как известно, частицы меньших размеров взаимодействуют с газом быстрее, чем крупные частицы. Однако поскольку время пребывания всех частиц в реакторе одинаково, некоторые частицы с малым размером, для которых полное время взаимодействия с газом (τ_п) меньше среднего времени пребывания твердого материала в реакторе , успевают полностью прореагировать. Тогда для таких частиц х_В > 1, что не имеет физического смысла. Значит, пользуясь уравнениями (4.4) и (4.5), нельзя допускать значений х_В > 1.