ВВЕДЕНИЕ В ШЛАМОВЫЕ РЕАКТОРЫ

Во многих промышленных процессах используются многофазные системы, и, возможно, наиболее сложным является газожидкостно-твердый или шламовый реактор. Сложность этой системы возникает из-за одновременного присутствия переноса массы и тепла, включающего все три фазы в дополнение к реакции. Хотя явления переноса часто могут быть теоретически оценены, предполагая предельные случаи, добавление рабочих характеристик реактора и физических свойств суспензии создает дополнительные сложности. Затем необходимо использовать эмпирическую корреляцию, основанную на конкретном реакторе в реальных условиях эксплуатации.

Эта заметка Альтамиры представляет собой введение в некоторые первоначальные соображения при проектировании суспензионных систем, в частности массообмена и кинетики.

Массообмен Газ-жидкость-твердое тело и кинетика массообмена в суспензионной системе с реакцией могут быть обобщены следующим образом;

1. Газофазная диффузия реагентов к границе раздела газ-жидкость

2. Диффузия реагента от границы раздела газ-жидкость к объемной жидкости

3. Диффузия реагента через объемную жидкость

4. Диффузия реагента из объемной жидкости на внешнюю поверхность катализатора

5. Диффузия реагента в порах катализатора

6. Адсорбция реагента на активных участках поверхности катализатора

7. Реакция на поверхности катализатора

8. Десорбция продукта с поверхности катализатора

9. Диффузия продукта из пор катализатора

10. Диффузия продукта с внешней поверхности катализатора в объемную жидкость

11. Диффузия продукта через объемную жидкость

12. Диффузия газообразного продукта (если таковой имеется) из объемной жидкости на границу раздела газ-жидкость

13. Диффузия газообразного продукта от границы раздела газ-жидкость к газу. Механического перемешивания в CSTR и гидродинамического перемешивания в суспензионном реакторе с пузырьковой колонной часто достаточно для получения хорошо перемешанной суспензии. Объемные концентрации жидкости являются однородными, и этапами 3 и 11 часто можно пренебречь. Аналогично, частицы катализатора обычно малы, менее 50-100 мкм, а сопротивление внутри частиц часто незначительно. В следующем обсуждении предполагается, что коэффициент эффективности близок к единице, и общая реакция может быть основана на площади внешней поверхности частицы катализатора. Однако, если коэффициент полезного действия катализатора невелик, то необходимо учитывать внутреннее сопротивление. Если предположить необратимую реакцию первого порядка на поверхности катализатора и равновесие на границе раздела газ-жидкость, установившуюся скорость реакции на поверхности катализатора можно записать как: -rA = уравнение Краккаса. 1 где:

kr - константа скорости реакции первого порядка (л/т)

ac - площадь внешней поверхности катализатора на единицу объема суспензии без пузырьков (Л-1)

CAs - концентрация реагента А на поверхности катализатора (моль/Л3)

-rA - это скорость исчезновения реагента А на единицу объема суспензии без пузырьков (моль/Л3т). Поскольку скорости для каждого этапа равны в установившемся режиме, общий баланс может быть записан на основе концентраций. А поскольку реакция считается необратимой, процессами обратного переноса продукта можно пренебречь. Таким образом, скорости массопереноса при химической реакции (Этапы 1-4, пренебрегая Этапом 3) могут быть выражены в терминах концентраций и коэффициентов массопереноса следующим образом:

Этап 1: -rA = kgag (CAg – CAig) Eq. 2

Шаг 2: -rA = kLag (CAiL – CAL) Уравнение. 3

Шаг 4: -rA = kcac (CAL - CAs) Уравнение. 4 где:

kg - коэффициент массопереноса со стороны газа на границе раздела газ-жидкость (L/t)

kL - коэффициент массопереноса со стороны жидкости на границе раздела газ-жидкость (L/t)

kc - коэффициент массопереноса на внешней поверхности катализатора (л/т)

CAg - концентрация реагента A на единицу объема суспензии без пузырьков (моль/Л3)

CAig - концентрация реагента A на единицу объем свободной от пузырьков суспензии на границе раздела газ-жидкость (моль/Л3)

CAiL - концентрация реагента A на единицу объема свободной от пузырьков суспензии на границе раздела газ-жидкость. (моль/Л3)

CAL - концентрация реагента A на единицу объема суспензии без пузырьков (моль/Л3)

ag - площадь раздела газ-жидкость на единицу объема суспензии без пузырьков (Л-1) Поскольку на границе раздела газ-жидкость предполагается равновесие, концентрации на границе раздела могут быть выражены в терминах закона Генри при низких концентрациях как:

CAig = HcCAiL Уравнение 5, где: Hc - постоянная закона Генри (моль газа/моль жидкости), объединяющая уравнения 1-5 и исключая концентрации, скорость может быть выражена в терминах концентрации реагирующего газа следующим образом:

-rA = koacCAg Eq. 6 где:

ko - общая константа скорости (л/т), выраженная как: POPRAWI? УЛАМКИ!!!

1 ac 1 ac Hc 1 1 = + + Hc + Уравнение 7 ko ag kg ag kL kc kr Обратите внимание, что обратные величины в уравнении 7 представляют собой сопротивления, приписываемые каждой из диффузий на стадиях 1, 2 и 4, реакции на поверхности катализатора и внутренняя константа скорости. Величина каждого сопротивления определяет его важность для определения общей скорости реакции. Это обсуждение было основано на единой позиции внутри реактора. Однако в реальных условиях эксплуатации по высоте реактора могут существовать газовые, жидкие и твердые дисперсии, и общая скорость реакции будет меняться с высотой. Площадь межфазной поверхности на единицу объема суспензии без пузырьков, ag, для сферических пузырьков составляет:

ag = 6 г/ds, равное 8, где:

g - задержка газа

ds - средний диаметр пузырька Соутера (L) nidbi3 определяется как: ds = Eq. 9 nidbi2, где:

dbi - эквивалентный диаметр пузырька (L)

ni - количество пузырьков определенного диаметра.

Площадь внешней поверхности катализатора на единицу объема суспензии без пузырьков, ac, для сферических частиц составляет:

ac = amms, равное 10 и 6 am = 11 Dp p, где:

am - площадь внешней поверхности катализатора на единицу массы (L2/М)

Ms - масса катализатора на единицу объема суспензии (М/Л3) p - плотность частиц катализатора (М/Л3)

Dp - диаметр частиц катализатора (L). Следует отметить, что площадь межфазной поверхности газ-жидкость для массопереноса обычно меньше площади поверхности катализатора. Таким образом, площадь межфазной поверхности газ-жидкость на единицу объема суспензии часто вносит существенный вклад в общее сопротивление массопереносу и, следовательно, в общую скорость реакции. Было проведено много исследований и сопоставлений с использованием систем холодного потока с "похожими" физическими свойствами суспензии и конфигурациями реакторов. Однако было обнаружено, что корреляции, полученные из этих систем, часто не могут быть применены к системам в реальных условиях эксплуатации. Межфазная площадь в уравнении 8 основана на распределении пузырьков по размерам, определенном в уравнении 9. Следовательно, гидродинамика суспензионной системы важна для определения общей скорости реакции. На самом деле, именно непонимание гидродинамики привело ко многим несоответствиям в важности сопротивления массопереносу по сравнению с кинетическим сопротивлением при изучении общей скорости реакции в суспензии. Физические свойства суспензии, такие как вязкость и поверхностное натяжение, важны для определения площади раздела газ-жидкость, ag. Было обнаружено, что примеси, присутствующие в жидкости, часто мигрируют в межфазную область и изменяют "псевдовязкость" и поверхностное натяжение на границе раздела. Влияние температуры и присутствие твердых частиц также изменяют вязкость суспензии. Впоследствии распределение пузырьков по размерам, задержка газа и, следовательно, площадь межфазной поверхности могут существенно отличаться. Кроме того, тип реактора и его физические характеристики: диаметр, высота и газораспределитель влияют на гидродинамику системы. Таким образом, определение характеристик реакции и масштабирование оказались трудными для изучения суспензионных систем.

Дополнительная информация 1. Фан, Л.С., Технология псевдоожижения газа, жидкости и твердого тела., Баттерворт, Бостон (1989). 2. Рейз Х.Ф., Проектирование химических реакторов для технологических установок. Том 1.John Wiley & Sons, Нью-Йорк (1977). 3. Саксена С.С. и др., "Математическое моделирование реакторов с пузырьковой колонной на суспензии Фишера-Тропша", Chem. Enq. Коммуна.. (40) 1986, 97-151. 4. Шах Ю.Т. Проектирование газожидкостно-твердого реактора.. Макгроу-Хилл, Нью-Йорк (1979). 5. Шах, Ю.Т. и др., "Расчетные оценки параметров для реакторов с пузырьковой колонной", AlChE J.. (28,3) Май, 1982, 353-379.