Методика расчета реакторов баллонного типа

В результате реакции сплавов с водой выделяется значительное количество тепла, что приводит к образованию водяного пара. Основная часть пара конденсируется при контакте с холодным циркулирующим раствором и стенками реактора. Тем не менее, в первом приближении подъемный канал в реакторе можно рассматривать как испаритель.

Общими для методов расчета испарителей и реакторов являются:

• — способы определения теоретической скорости адиабатного течения газа и пара в каналах аппаратов с естественной циркуляцией;
• — оценка сопротивления каналов течению двухфазных потоков;
• — приемы использования закономерностей симметрии и асимметрии при конструировании аппаратов и их узлов.

Различия наблюдаются в выборе составляющих кинетических уравнений и в расчете скорости течения газожидкостного потока вблизи реакционной поверхности, т. е. поверхности теплои массообмена, перемещающейся в реакторах и неподвижной у испарителей [37, 38].

При проектировании аппаратов составляют регламент, где указывают физико-химические константы и свойства вещества, стехиометрические и кинетические соотношения, материальный и тепловой балансы. Принимают также определенный тип реактора. Таким образом, считают заданными: масса G и объем V реагирующего вещества, подаваемого в реактор за один цикл; масса GН2 и объем VН2 водорода, получаемого за один цикл; массовая G" Н2 и объемная V" Н2 производительность реактора по водороду; объем воды VН2О, расходуемой за один цикл; объем твердых продуктов реакции Vпр; коэффициент L скорости выделения водорода (по данным кинетических исследований); общая f и удельная fуд площади поверхности порошка сплава; радиус одной частицы R1; количество водорода нН2, выделяющегося на единицу массы сплава; количество тепла q, образующегося на единицу массы водорода; сечение аппарата Fап; высота уровня жидкости h.

В первом приближении не учитывают индукционный и конечный периоды реакции. В этом случае средняя скорость выделения водорода W близка по своему значению к максимальной, определяемой по формуле (1.31).

По высоте уровня пульпы h определяют перегрев жидкости на дне аппарата. Скорость истечения парожидкостной смеси при адиабатном вскипании жидкости н рассчитывают по изменению энтальпии. Действительная скорость истечения потока н* найдена по зависимости (4.9).

Формулу (4.9) применяют исходя из предположения, что относительный эффективный КПД подъемного канала рассчитывается по формуле зое = ц2. (5.11).

Средняя скорость течения потока в подъемном канале нср = 2/3· н*. (5.12).

По известному значению W определяют соответствующее количество тепла Q, выделившееся во время реакции.

Массу образовавшегося пара находят по уравнению.

G" = Q*/r; (5.13).

Q* = Q — Qп, (5.14).

где Qп — потери тепла на нагрев реактора и смеси реагентов, Дж.

По массе пара определяют объем пароводяной смеси.

V = G" /с", (5.15).

что дает возможность оценить сечение подъемного потока и его диаметр dп.п.

fп.п = V" /нср. (5.16).

Число Рейнольдса жидкости подъемного потока.

Re = нср • dп. п/н, (5.17).

где н — кинематический коэффициент вязкости жидкости, м2/с.

По числу Рейнольдса и уравнениям (5.3) — (5.8) находят действительное значение коэффициента L*.

Далее, последовательно рассчитывают реальную скорость выделения водорода W* и объемную производительность реактора V*Н2.

W* = L* • ?м • fуд; (5.18).

V*Н2 = W* • f*. (5.19).

В начале процесса (бr = 0,3) реакционная поверхность порошка равна.

f* = 0,3· fуд. (5.20).

Совпадение заданного значения объемной производительности V*Н2 с расчетным означает правильность выбранного реакционного объема.

В дополнительном расчете оценивается уровень жидкости в аппарате в конце реакции h* и кратность циркуляции z.

h* = Vп/Fап, (5.21).

где Vп — объем пульпы, м3;

Fап — площадь поперечного сечения аппарата, м2.

Vп = Vпр + Vж — Vґж — Vґв, (5.22).

где Vпр — объем продуктов реакции, м3;

Vж — объем жидкости, заливаемой в реактор, м3;

Vґж — объем воды, расходуемой на реакцию, м3;

Vґв — объем испарившейся воды, м3 — формула (2.9).

Для нормальной работы реактора должно быть выдержано условие.

h*? h. (5.23).

Кратность циркуляции соответствует выражению.

z = ф1/ф, (5.24).

где ф1 — время жизни одной частицы;

ф — время прохождения частицей циркуляционного контура ф1 = V" 1/(W•f1*), (5.25).

где V" 1 — объем водорода, генерируемый одной частицей, м3;

f1* - средняя площадь реакционной поверхности частицы, м2.

f1* = 0,5 · f1, (5.26).

где f1 — поверхность частицы, м2.

Количество водорода, образующегося при взаимодействии частицы сплава с водой.

V" 1 = нН2 • m1, (5.27).

где нН2 — объем газа, выделяющийся на единицу массы сплава, м3;

m1 — масса частицы, кг.

m1 = с • V1, (5.28).

где с — плотность сплава, кг/м3;

V1 — объем частицы, м3;

ф = фґ + ф", (5.29).

где фґ - время пребывания частицы в опускном потоке, с;

ф" - время подъема частицы в парожидкостном потоке, с.

фґ = h/нс. (5.30).

По экспериментальным данным скорость жидкости опускного потока находится в пределах 0,1 м/с < нс < 0,2 м/с.

ф" = h/нср. (5.31).

Для расчета отдельных периодов процесса следует использовать уравнение (1.37). При этом среднеарифметическую поверхность реакции заменяют на среднеинтегральную.

Рост давления с одновременным охлаждением реактора исключает вскипание воды. В этом случае гидродинамическую обстановку в аппарате определяет поток водорода. Скорость циркуляции жидкости находят по методике, изложенной в приложении В. После расчета числа Re по зависимости (4.1), (5.9) находят коэффициент теплоотдачи.

Для определения удельной тепловой нагрузки q находят температурный напор между частицами сплава и раствором. По давлению в реакторе рассчитывают критическое давление истечения — формула (В.21). После чего по таблицам теплофизических свойств выбирают температуру закипания воды, соответствующую Ркр. Последнее значение соответствует температуре, развиваемой на реакционной поверхности.

Температура раствора определяется исходя из теплового баланса, учитывающего нагрев продуктов взаимодействия и стенок аппарата.

Найденному значению q соответствует определенная величина скорости процесса W. По значению W уточняют величину удельной энергии Гиббса? G, что, в свою очередь, позволяет откорректировать значение коэффициента L.

Геометрические размеры циркуляционного контура, дисперсность порошка сплава, температуру и давление реакции варьируют до совпадения количества тепла, определяемых по уравнению конвективного теплообмена и кинетической зависимости химической реакции. Этим исключают возможное ограничение реакции со стороны отвода тепла. Отдельные детали расчета обсуждены в работе [110].