Дипломная работа: Экспериментальные исследования процесса тепломассообмена и химических реакций углерода с газами

2. Теоретические исследования кинетики химических реакций и массообмена пористых углеродных частиц с газами с учетом эндотермической реакции и стефановского течения.

2.1. Кинетика параллельных и последовательных реакций углеродной частицы с газами.

Тепломассообмен (ТМО) твердого или жидкого тела с газами протекает взаимосвязанно с химическими реакциями и фазовыми превращениями (испарение, конденсация), которые являются источниками (стоками) энергии и новых масс газов (продуктов реакции). Появление или исчезновение газовых масс на поверхности твердого тела является причиной появления стефановского течения, направленного в первом случае от поверхности тела, а во втором к поверхности, дополнительно учавствующего в переносе тепла и газообразных компонент [1 - 4]. В целом ряде случаев необходимо учитывать пористую структуру твердого тела и, следовательно, внутреннюю диффузию и кинетику химических реакций на поверхностях пор. Так же необходимо учитывать, что при определенных условиях возможно протекание гомогенных химических реакций в пространстве около частицы. Наилучшим примером является реагирование углерода (графит, электродный уголь, коксы различных топлив) с газами. Известно [1, 5], что на поверхности углерода протекают параллельно экзотермические химические реакции

С+О2 =СО2+ (І),         2С+О2=2СО+ (ІІ),

 а так же последовательная эндотермическая химическая реакция

С+СО2=2СО- (ІІІ),

где , ,  - тепловые эффекты химических реакций (І), (ІІ), (ІІІ), Дж/моль.

В газовой фазе возможно протекание экзотермической гомогенной химической реакции

   2СО+О2=2СО+ (ІV),

где   - тепловой эффект химической реакции (ІV), Дж/моль.

Если скорость гомогенной реакции (ІV) меньше скорости массопереноса (критерий Дамкелера (Damkohier) или критерий Семенова)  < 0.4, то ее влиянием на тепломассообмен твердого тела можно пренебречь [1]

где d – диаметр углеродной частицы, м;  - предэкспоненциальный множитель, 1/с;  - энергия активации реакции (ІV), Дж/моль;  - температура газовой смеси, К;  - коэффициент диффузии окиси углерода, м2/с; Nu – критерий Нуссельта. Малое значение критерия Семенова определяется экспериментальными условиями, когда частица дополнительно разогревается током высокой частоты или в результате поглощения лазерного излучения и  обдувается холодным  газом [5-7]. Так в [5] частица электродного угля d=1.2 – 1.5 см, нагреваемая током высокой частоты, обдувалась воздухом комнатной температуры (Тg=293 К) со скоростью V=0.6 м/с. В [6-7] приведены экспериментальные и теоретические результаты временных зависимостей температуры и диаметра углеродной частицы, горение которой в воздухе комнатной температуры поддерживается лазерным излучением.

         Проведенный анализ тепломассообмена и кинетики химических реакций (І), (ІІ), (ІІІ) углеродной частицы с газами показал на необходимость учета стефановского течения и позволил получить аналитические выражения качественно верно описывающие влияние условий и свойств на газовый состав продуктов реакции, скорость химического превращения углерода, плотности тепловых и массовых потоков на поверхности частицы [3]. Однако, пренебрежение внутренним реагированием привело к несовпадению экспериментальных и расчетных результатов по скорости химического превращения углеродной частицы при различных ее температурах и диаметрах.

Задачей настоящей работы является выявление роли внутреннего реагирования и стефановского течения в процессах ТМО и химических реакций пористой углеродной частицы с газами с учетом вынужденной и естественной конвекции в зависимости от температуры и диаметра частицы.

Скорость химического превращения углерода в газообразные компоненты определяется скоростью химической реакции на внешней поверхности частицы и внутри частицы на поверхностях пор

,

где  - соответственно, суммарная скорость химического превращения, скорость химического превращения  на поверхности углеродной частицы  и внутри, на поверхностях пор, кг/(м2 с).

Скорость химического превращения углерода на поверхности частицы определяется кинетикой реакций (I), (II) и (III)

,                     (2.1)

, 

,

где  – молярные массы углерода, кислорода, углекислого газа, кг/моль;  – относительные массовые концентрации O2 и CO2 на поверхности частицы; , ,  – константы скоростей химических реакций (I), (II), (III), м/с; , ,  - предэкспоненциальные множители, м/с; E1, E2, Е3 – энергии активации (I), (II) и (III) реакций, Дж/моль; R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×К); Т – температура частицы, К; ,  - плотность газа при температуре частицы и при Т0=273.15 К, кг/м3.

         Энергии активации и предэкспоненциальные множители реакций (I), (II) и (III) связаны между собой [1]:

; ,

где =1 для реакции (I), 2- для реакции (II) и 3- для реакции (III).

Выражение для скорости химического превращения углерода в результате химических реакций на поверхностях пор внутри объёма частицы получается из решения задачи внутренней диффузии и может быть представлено в виде

,   ,                            (2)

,                                                 (3)

,        ,                              (4)

где -эффективная константа внутреннего реагирования, м/с; Sev - критерий Семенова, определяющий соотношение констант скоростей химических превращений на поверхностях пор и диффузии [8, 9] или отношение радиуса частицы к глубине реакционной зоны, Dv – коэффициент внутренней диффузии кислорода в порах, м2/с;  - глубина реакционной зоны внутреннего реагирования, м,  – удельная поверхность пор, м-1.

         Коэффициент внутренней диффузии выражается через порозность частицы [1, 5]

,                                               (5)

где  - коэффициент диффузии кислорода в воздухе при температуре , м2/с;  - порозность частицы.

Суммарная скорость химического превращения углеродной частицы и плотность химического тепловыделения

,                  (6)

,                    (7)

где Q1, Q2 – тепловые эффекты химических реакций (I) и (II), рассчитанные на единицу массы кислорода, Дж/кг; Q3 – тепловой эффект реакции (III), рассчитанный на единицу массы углекислого газа, Дж/кг;  - суммарная плотность химического тепловыделения, на поверхности и внутри частицы, соответственно, Вт/м2.

2.2. Взаимовлияние кинетики химических реакций и массообмена пористых углеродных частиц с газами.

Влияние относительной скорости движения частицы на кинетику химических реакций и тепломассообмен учитывается радиусом приведенной пленки , на поверхности которой задаются параметры невозмущенного потока [1, 2]. Для случая отсутствия вынужденной и естественной конвекций (частица неподвижна относительно газа, Nu=2) радиус приведенной пленки  равен бесконечности. Радиус приведенной пленки уменьшается с увеличением интенсивности естественной и вынужденной конвекций, приближаясь к радиусу частицы . Зависимость  от критерия Нуссельта имеет вид:

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6