ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Термические режимы гомогенных реакторов из "Теплообменные процессы химической технологии" Взаимодействие лучистого потока с газами и парами существенно отличается от взаимодействия с поверхностями конденсированных фаз, где падающее на твердую (или жидкую) поверхность излучение в инфракрасной области практически поглощается и отражается внешней поверхностью тела (исключение представляют некоторые полимерные материалы и диатермичные жидкости). Масса газа или пара поглощает внешнее излучение и, соответственно, посылает в окружающее пространство собственную лучистую энергию всем объемом. Отсюда следует, что поглощательная и равная ей излучательная способность газов и паров должна зависеть не только от молекулярного строения конкретного газа (пара), но и от количества поглощающих (излучающих) молекул в объеме, занимаемом газом. Другой специфической особенностью излучения газов или паров является несплошной характер их спектра (линейчатый или полосатый). [c.102] Одно- и двухатомные газы практически прозрачны для ИК-излуче-ния, т. е. поглощение и, соответственно, собственное излучение таких газов в важной для процессов теплообмена области инфракрасных волн практически отсутствует. Существенное значение для лучистого теплообмена имеют трехатомные молекулы двуокиси углерода и паров воды. Двуокись углерода и водяные пары являются основными продуктами сгорания органических топлив и после заверщения процесса горения имеют температуру, при которой максимум излучения, согласно закону Вина (5.2), приходится на инфракрасный диапазон длин волн. [c.103] Излучение газов не соответствует излучению серого тела как от одной полосы к другой, так и в пределах каждой полосы, что иллюстрируется графиком на рис. 5.8. Полное излучение газа Ет складывается из излучения его отдельных полос, т. е. [c.103] Анализ экспериментальных данных на основе формулы (5.21) показывает, что излучение газов не следует закону Стефана— Больцмана, но дает иные зависимости интенсивности собственного излучения газов от температуры. Так, полное излучение Ет двуокиси углерода пропорционально температуре в степени, близкой 3,5, а излучение водяных паров оказывается пропорциональным примерно кубу температуры. Такое отклонение от закона Стефана—Больцмана объясняется зависимостью интегральной излучательной способности газа от его температуры, выражающейся в изменении высоты и щирины полос излучения (поглощения) при различных значениях температуры. [c.103] Согласно апнроксимационным зависимостям (5.23), излучение двуокиси углерода имеет больщее относительное значение при малых объемах газа, а по мере увеличения толщины слоя газа повышается относительная доля излучения Н2О. [c.104] Более точные данные о зависимости степени черноты газов от температуры и произведения (рг1) получают по опытным графикам, дающим явный вид функций (5.22). Также графически может быть произведен учет поправки, приводящий к некоторому уменьшению Ег вследствие взаимного влияния спектральных полос каждого из газов (паров), находящихся в смеси. [c.104] Во многих случаях в продуктах сгорания топлив могут находиться во взвешенном состоянии мелкодисперсные частички твердого топлива, сажи или золы. Количество таких частиц обычно велико, что определяет значительную величину их поверхности при небольших объемных концентрациях в потоке топочных газов. Размер твердых частиц, как правило, превышает длину волны инфракрасного излучения, поэтому происходит поглощение части проходящего излучения развитой поверхностью частиц. Одновременно частицы топлива, имеющие высокую температуру наружной поверхности, излучают в окружающее пространство сплошной спектр. Методы анализа лучистого теплообмена в пылегазовых объемах разработаны в литературе, имеющей отношение к топочной технике [34]. [c.104] В принципе, такая система алгебраических и дифференциальных уравнений с соответствующими начальными и граничными условиями полностью определяет поля температуры, концентраций и скоростей движения реагентов в реакционном аппарате. Усреднение этих полей на выходе из аппарата непрерывного действия позволяет получить интегральную степень превращения, достигаемую при заданных условиях работы. [c.106] При анализе температурных режимов работы реакционных аппаратов (рис. 6.1) принято рассматривать следующие предельные и промежуточные варианты. [c.107] Из уравнений химической кинетики (6.1) и (6.2) следует, что температура оказывает наиболее значительное влияние на скорость химической реакции в кинетической области процесса. [c.108] На рис. 6.2 представлена зависимость степени превращения от температуры при некоторых временах процесса реагирования Т1 Та, соответствующая уравнению (6.3) для необратимой реакции [1]. Отмеченные моменты времени Т1 и тг относятся как к пе-риодическидействующему реактору смешения, так и к проточному аппарату полного вытеснения, для которого времена реагирования определяются делением длины реактора на линейную скорость продвижения реакционной массы. Из рис. 6.2 следует, что при фиксированном времени реагирования в случае низкой температуры степень превращения мала. Затем она значительно увеличивается с возрастанием Т, асимптотически приближаясь к полной степени превращения (X = 1). Естественно, что по мере увеличения времени, предоставленного для проведения реакции, можно либо увеличить степень превра,щения при сохранении температуры реагирования, либо уменьшить Т при сохранении необходимой конечной степени превращения. Для проточного реактора увеличение времени реагирования может быть достигнуто увеличением объема реактора или снижением его производительности. [c.109] Для обратимых реакций влияние температуры на степень превращения также имеет 5-образный характер, но верхний предел кривых соответствует не полной степени превращения, а равновесным концентрациям, зависящим в свою очередь от температуры реакции. На рис. 6.3 кривая равновесия представлена огибающей пунктирной линией, конкретный вид которой определяется температурной зависимостью равновесного состава реагентов. На рис. 6.4 показана зависимость степени превращения от температуры для обратимой эндотермической реакции, откуда, в частности, следует, что такую реакцию следует проводить при больших значениях Т []]. [c.109] Зависимость степени превращения от температуры для необратимых реакцяй (Т1 Т2). [c.109] Наиболее распространенными в химической промышленности являются химические реакторы непрерывного действия с интенсивным перемешиванием реакционной массы и теплоотводом (рис. 6.5). Перемешивание используется для уменьшения влияния диффузионных сопротивлений на интегральную скорость превращения, создания однородных концентрационных и температурных условий по всему объему аппарата и интенсификации теплообмена реакционной массы с теплообменной поверхностью. Отвод теплоты при проведении экзотермических реакций обычно применяется для того, чтобы избежать перегрева реакционной массы и не допустить, таким образом, нежелательных побочных реакций, фазовых переходов, термического разложения продуктов, твердых отложений на внутренних поверхностях реактора и т. д. [c.110] Прямые линии соответствуют правой части уравнения. [c.111] Прямые линии соответствуют правой части уравнения. [c.111] После нахождения величины Т по уравнению (6.6) определяется концентрация С. [c.112] Аналогичный анализ химических реакций произвольного порядка приводит к более сложной алгебраической процедуре отыскания температуры устойчивого процесса. В частном случае-реакции нулевого порядка (скорость реакции зависит только от температуры процесса и не зависит от концентрации компонентов) метод расчета остается прежним, но для нахождения температуры реакции материальный баланс (6.6) оказывается излишним. [c.112] Для адиабатического реактора (/С = 0) в уравнении теплового баланса (6.7) исчезает слагаемое, соответствующее охлаждению зоны реакции, а порядок расчета остается прежним. Аналогично анализируется другой предельный вариант теплообмена, когда теплоотвод компенсирует источник теплоты так, что в зоне реакции поддерживается постоянная температура. [c.112] Вернуться к основной статье