научная статья по теме ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНСАМБЛЯ ЧАСТИЦ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНСАМБЛЯ ЧАСТИЦ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2014, том 48, № 1, с. 15-29

УДК 66.096.5:662.61

ЧИСЛЕННЫЙ РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ АНСАМБЛЯ ЧАСТИЦ В РЕАКТОРЕ ИДЕАЛЬНОГО СМЕШЕНИЯ С КИПЯЩИМ СЛОЕМ © 2014 г. В. И. Ковенский

kvico@tut.by Поступила в редакцию 02.08.2012 г.

Рассмотрена проблема численного определения параметров твердой фазы (массы, фракционного состава, потоков уноса, осаждения и слива) стационарного идеально перемешанного кипящего слоя реагирующих частиц в непрерывно действующем проточном либо непроточном реакторе, а также двух реакторах, соединенных перетоками. Предложена система уравнений, позволяющая решить данную задачу при произвольном распределении частиц по размерам в потоке подачи и любой зависимости скорости сжатия либо роста частиц от их диаметра. Получены выражения для расчета массы дисперсного материала и его фракционного состава на стадии индукции. Рассмотрена методика расчета параметров ансамбля частиц в самосогласованном реакторе. Изучены частные случаи — проточный реактор, непроточный реактор, система из двух соединенных перетоками реакторов — для различных зависимостей скорости трансформации частиц от их размера и произвольном фракционном составе потока подачи.

Б01: 10.7868/80040357114010047

ВВЕДЕНИЕ

Приближение идеального перемешивания довольно широко применяется в математическом моделировании различных химических, прежде всего каталитических, процессов [1—6]. Его использование при расчетах аппаратов с кипящим слоем обусловлено высокой степенью соответствия этой гипотезы характерным свойствам данной дисперсной среды — однородности пространственного распределения температуры и концентрации твердой фазы — достигаемым при ее интенсивном перемешивании [7, 8].

В работе [9] была рассмотрена проблема определения параметров стационарного идеально перемешанного кипящего слоя реагирующих частиц. В рамках развитого подхода классифицированы выходящие из слоя потоки дисперсного материала в соответствии с механизмом их формирования (унос, осаждение и слив) и определено различие между проточными и непроточными реакторами (наличие либо отсутствие потока слива соответственно). Для непроточного реактора получены аналитические решения в ряде частных случаев. При этом скорость роста либо сжатия частиц задавалась в виде степенной функции от их радиуса, а фракционный состав подаваемого дисперсного материала характеризовался одним из следующих трех распределений — 8-функцией (монодисперсная подача), равномерным либо кубическим распределением. Более сложные зависимости, как для скорости трансформации частиц, так и для фракционного состава перерабаты-

ваемого сырья, не позволяют получить решение задачи в замкнутой форме. В подобных случаях необходимо использование численных методов. В связи с этим целью настоящей работы является формулировка проблемы определения параметров ансамбля частиц в реакторе идеального смешения с кипящим слоем в виде, допускающем ее численное решение, а также расчет характеристик твердой фазы для ряда конкретных примеров проточных и непроточных реакторов и их систем.

ПЕРЕХОД К БЕЗРАЗМЕРНЫМ ПЕРЕМЕННЫМ

При численном решении задачи целесообразно использовать безразмерные переменные. Если в потоке подачи диапазон размеров частиц задан

^ гь >0тах ^ гм, то

Я

(1)

отрезком [Г)тт, Г)тах] , причем Г)тт

их безразмерный радиус будет

[>о/^тах, V(г) < 0

1>о/Г0тт, V(г) > 0 Здесь V (г) <0 соответствует случаю сжатия ча стиц, а V (г) > 0 — случаю роста. Безразмерный ра диус частиц в слое записывается аналогично:

[Г/Чтах, V(г) < 0 [гАотт, V(г) > 0 Как видно, безразмерные радиусы Я и Я0 различаются лишь областями определения (для сжимающихся частиц Я е [ДшпЛ], Я) е [ЯэттЛ],

Я =

(2)

Д)ш1п > ЯШп, а для растущих - йе [1, Лтах ], Я0 е

е [1, Яошах]), Яошах < Яшах- Эт0 позволяет в некоторых случаях использовать Я вместо Я0. При этом функции, зависящие от Я0, должны быть доопределены на отрезках [я^п, ^п] либо [Яошах, Яшах] для сжимающихся и растущих частиц соответственно.

Непрерывное либо кусочно-непрерывное распределение по размерам подаваемого дисперсного материала при переходе к безразмерному радиусу трансформируется в соответствии с правилом преобразования для функции случайного аргумента [10] следующим образом:

Ро (Я)

Г)0шахРо Оо) , V (г) < 0 ГошпРо (Г)), V(Г) > 0'

(3)

Аналогично записывается функция распределения по размерам для частиц в слое:

Р (Я) =

Гошах Р ( Г) , V ( Г) < о ГоштР (Г) v (Г) > о'

(4)

Скорость изменения размера частиц V (г) характеризует протекающий в реакторе процесс и считается известной. При переходе к безразмерным переменным

V (Я) = f (Я) =

1

-V (г ), ■V (г ),

V (г) < о V(г) > о

(5)

гошт

¥(Я)=р(Я Я ) яо =

]У(Я, Яо)Ро (Яо)Яо

|Ро (Яо ^Я

Я

Я

]У(Я, Яо)Ро (Яо

-, V(г)<о

(6)

|Ро (Яо )dЯоо

-, v(г)>о

Кинетическое уравнение относительно функции распределения частиц по размерам в идеаль-

но перемешанном кипящем слое после перехода к безразмерным переменным принимает вид

^ -/4Я1 - ± [Р (Я)У (Я)] +

то то dR

+ Я Р (Я)Г (Я) = 0, а уравнение баланса массовых потоков —

1 - / - /1 - /2 + * = о,

где

/1 = /1 (То, Р (Яш )) = 1 = 1о

Го, V (г) < о

[ТР(ЯШ)р(Яш), V(г)> о безразмерный поток осаждения;

/2 = /2 (о, Р (Я ))= I2 =

1 —

\-хо¥(Я)Р(Я), v(г) < о [о, v (г) > о безразмерный поток уноса;

* = * (то) = 1 =

рЯЖ dя, V (Г) < о

(7)

(8)

(9)

(10)

= Зт

о'

(11)

ш Р(Я)Р(Я)dЯ, V(Г) > о

Быстрота трансформации частиц может зависеть не только от текущего, но и от начального размера частиц, т.е. V = У(Я, Я0). В этом случае У(К) определяется как среднее по неполному начальному распределению:

безразмерный сток либо источник массы для сжимающихся и растущих частиц соответственно.

НЕПРОТОЧНЫЙ РЕАКТОР

В непроточном реакторе (рис. 1а) отсутствует поток слива (/ = 0). Для численного определения параметров ансамбля реагирующих частиц используется система, образованная уравнением баланса массовых потоков (8) и условием нормировки функции распределения р(Я).

Для сжимающихся частиц (^Я) < 0, /1 = 0) имеем

/2 - * = 1, (12)

| Р (Я )dR = 1'

(13)

А

Для растущих частиц (^й) > 0, / = 0) имеем

/1 - * = 1, (14)

| р(Я^Я

= 1.

(15)

1

Я

Рис. 1. Схемы реакторов: (а) — непроточный реактор; (б) — проточный реактор; (в) — самосогласованный реактор.

Функция р(Я) находится из решения задачи Ко-ши для кинетического уравнения (7), которое после преобразований принимает вид

dJJR=* R)

3_ R

1 JV (R)

Po (R) ToV (R)'

(16)

V (R) JR

Начальное условие (независимо от характера трансформации частиц) имеет вид

P (R) r=i = Pi' (17)

В качестве неизвестных, определяемых из решения системы (12), (13) либо (14), (15) совместно с задачей (16), (17), выступают параметры Т0 и px. Система решается методом минимизации [11]. В качестве начального приближения используются значения ТО и pi, определяемые из аналитического решения. Такое решение может быть получено для степенной аппроксимации kRa функции V(R) и одного (наиболее близкого к заданному в потоке подачи) из трех распределений — S-функ-ции (монодисперсная подача) [9], равномерного либо кубического (табл. 1, 2). В частности, равномерное распределение следующим образом определяется через параметры R0 и а исходной функции Po(R):

Poh (R) = R-LR-(min < R < Rh max), (18)

-"h max -**-h min

где Rh min = Ro - tf Д Rh max = R + ^

Рассмотрим решение задачи об определении параметров ансамбля сжимающихся частиц. Скорость трансформации задается функцией, представленной на рис. 2 (кривые 1—4), а распределение по размерам в потоке подачи p0(R) — кривой 1 на рис. 3.

Как видно (рис. 2), для рассматриваемого процесса характерен период индукции — этап предварительной подготовки без изменения размера

частиц [12]. Следует отметить, что после усреднения по начальному распределению функция (¥(Я)) = (¥{Я, Я0^| я сохраняет информацию о периоде индукции только для самых крупных из подаваемых частиц (рис. 2, кривая 5).

Находящийся на этой стадии дисперсный материал образует ансамбль частиц постоянного размера и его следует рассматривать как идеально перемешанную подсистему отдельно от основной массы частиц переменного размера. При этом схема подачи усложняется — твердая фаза из внешнего потока попадает в подсистему предварительной подготовки и далее, уже как поток слива из этой подсистемы, поступает в основной

V

10-

10

10

-10

14

0

0.2

0.4

0.6

0.8

R

Рис. 2. Зависимость скорости сжатия частицы от ее безразмерного радиуса: 1 — Я0 = 1, 2 — 0.78, 3 — 0.39,

4 — 0.095, 5 — V (Я)) > 6 — степенная аппроксимация к1Яа функции V (Я)). Штрихпунктирные участки кривых 1—4 соответствуют периоду индукции.

Таблица 1. Параметры идеально перемешанного кипящего слоя сжимающихся частиц

Параметр

Начальное распределение

равномерное

кубическое

U (R - ^Qmin) r0max (1 - RQmin)

4R U (R - R0m

r0max ( R0min)

4 - a

(l - Rt4-a)

1 - R

-0 min

rmax 2kT0R0min (1 - R0min) (4 - a)

1 R 2-a 1 R0min

2kT0 (1 - R0min )(2 - a)

4 - a

R3-" -

(1 - Rt4-a)

rmax k T0 (1 —

( — R0min )

U (R - R0min) /p3-a p2 p1-a\ (a * 2)

(R - R0minR j, (a * 4)

2kT0R0 min (1 - R0min )

(1 - R?)

_L - 'n ((R0 min) ,

_rmax 2kT0 (1 - R0 min )

2

R?-a —

1 - R

0 min

4kT0R02min (1 - R0min )_ U (R - R0min)

2k T0R0 min (1 - R0 min )

R

R - Romjn |, (a = 2)

( — R0minj R0min ( — R0minj

(5 — a) (4—0)

\

4U (R — R0min) (r 4- a R R3-a ) (a * 4)

-T-4-Г R _R0minR h / ^

kX0 (( R^min ) ; (a * 5)

1 + 4 (1 - Rpmin - R0min'n ((R0min)

R

'n (1/ Rt)

r0max k T0 (1 - R0 min )

4U (R _ R0min) ( _ Romin |, (a = 4)

-'n (1/ Rt)

1 + -

r0max 'П (V R 0min) 2kT0R0 min (1 - R0 min (1 - R02min )

kT0 ( _ R0 min j

R

Rt

4kT0R02min (1 - R0m

U (R - Rq min )

1 + 4 ('n (R0min ) - 1 + R0min)

r0m

(1 - Rt)

4U (R - R0min) ) 1 R0min

2kT0R(2min (1 - R0r

ff 2 ^ R R3

kT0 (1 - Rq min ))R R

kT0 ( - R0min )

, (a = 5)

R2

, (a = 4)

F0r0max (1 -

(1 - Rt4-a)

1 + 1 + R0min 2R0 min -

4F0r0max (1 - Rf " )

(4 - a)k 2 - a - Rq min (4 - a) + 2RQ

2R0min

(4 - a)k

R0min (1 RQmin) (1 _ RQmin)

4-а шт

2R0 min (1 - R0min) (2 - a) ( - Rt " )

(a * 2)

' (a * 4)

R0min (1_ R0min) (4 - a)(1_ ^müi)

F/W (

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком