РАЗДЕЛ 2
МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ
2.1. Методика определения поверхности контакта фаз
2.1.1. Метод фотографирования [113]
Данный метод использовался при достаточно четкой ячейковой (пузырьковой, пенной) структуре барботажного слоя и основан на определении по фотографии среднего объемно-поверхностного диаметра пузырьков dп и газосодержания слоя ?. Удельная поверхность контакта находится по уравнению:
(2.1)
Газосодержание определяется по формуле:
(2.2)
где: dп - средний диаметр газового пузыря, м; ? - газосодержание; ?ж, ?г - плотность жидкости и газа, соответственно, кг/м3; U - фиктивная скорость газа, м/с; ? - поверхностное натяжение, Н/м; g - ускорение свободного падения, м/с2.
Метод дает значение геометрической поверхности контакта фаз, а так же позволяет выяснить распределение поверхности по высоте слоя и этим установить степень его равномерности. Но метод пригоден только для пристеночного слоя и прозрачных жидкостей.
2.1.2. Химический метод [113-115]
Метод основан на использовании быстрой реакции псевдопервого (или псевдо - m-го) порядка, которая описывается уравнением:
(2.3)
где - скорость химической реакции по компоненту А; Vап - рабочий объем аппарата; - удельная поверхность контакта фаз; DA - коэффициент диффузии вещества А; rI - константа скорости реакции 1 порядка; - коэффициент массоотдачи; Ap - концентрация вещества А в газовой фазе; В - концентрация вещества В в теплоносителе.
Измеряя значения при разных концентрациях активной части теплоносителя В, строится график зависимости от В. Согласно уравнению (2.3) график представляет собой прямую с наклоном , причем отрезок, отсекаемый на оси ординат, равен (Fуд·?ж)2. По наклону прямой находим удельную поверхность контакта фаз (Fуд), а затем, по отрезку на оси ординат, ?.
Так как , а коэффициент ускорения не зависит от гидродинамических условий, то можно определить путем одного измерения посредством уравнения:
(2.4)
Уравнение (2.4) применимо и при неизвестной кинетике реакции. В этом случае величина не зависит от типа аппарата с известной поверхностью контакта, при условии, что изменение гидродинамического режима не влияет на .
2. 2. Методика проведения процесса пиролиза
Пиролиз (газофазный) сравнительно малоселективный процесс. Связано это, с одной стороны, с обратимостью элементарных стадий процесса, с другой - с тем, что при высоких температурах селективность радикальных реакций уменьшается: различие скоростей двух параллельных стадий при заданном ?Е1.2 будет тем меньше, чем выше температура Т. Поэтому при пиролизе даже индивидуальных углеводородов почти всегда имеют место сложные смеси реагентов. Все это затрудняет кинетическое описание процесса и требует разработки специальных методов и приемов.
В зависимости от объектов и задач исследования изучение кинетики и механизма пиролиза углеводородов может осуществляться в реакторах типа: статических и динамических (проточных), импульсных или стационарных. Различным может быть и способ подвода тепла. Классификация существующих реакторов представлена на рис. 2.1.
Рис. 2.1. Классификация реакторов пиролиза
В основу классификации положен способ подвода тепла к реагентам и гидродинамического режима в реакторе.
Реакторы пиролиза могут быть изотермическими и неизотермическими. Если не удается достичь постоянства температуры протекания процесса во всем объеме реактора или во времени, то упор делается на учет неизотермичности расчетным путем. Наконец, в зависимости от типа, а возможно и материала реакторов они могут приближаться к строго гомогенным или быть гомогенно-гетерогенными.
2.2.1. Статические реакторы
Статический реактор для изучения термических превращений - это сосуд, как правило, сферической или цилиндрической формы, помещенный в термостат (печь). Наиболее существенный недостаток статических реакторов состоит в том, что с их помощью можно изучать сравнительно медленные процессы, протекающие до необходимых глубин превращения в течении несколько десятков секунд и более. Основная методическая трудность при работе со статическими реакторами: учет "мертвого" объема манометров, коммуникаций, а также его пространственная и временная неизотермичность.
2.2.2. Проточные реакторы
Исследования быстрых реакций пиролиза углеводородов при температурах 1000-1200 К и времени реакции порядка 1,0-0,01 с проводятся в реакторах проточного типа. В них время реакции для каждого элементарного объема реагентов является функцией объемной скорости, профиля температуры и давления, объема реактора [5].
Преимущества использования проточных реакторов при изучении кинетики пиролиза были отмечены достаточно давно [114]. К ним относятся высокие скорости теплопередачи, хорошая изотермичность, простота описания кинетики процесса (дифференциальные уравнения заменяются на алгебраические материального баланса).
2.2.3. Проточные реакторы пиролиза природного газа в жидком высокотемпературном теплоносителе
Выбор типа лабораторной установки определяется целью планируемого эксперимента и характером протекания реакции. Для получения достаточно надежной информации об основных закономерностях протекающих процессов в работе были использованы проточный и безградиентный методы осуществления лабораторных исследований. Исследования процесса пиролиза природного газа в жидком теплоносителе проводили на проточной установке (рис. 2.2).
Лабораторная установка (рис. 2.2) состояла из кварцевого реактора (1) барботажного типа, помещенного в печь (2). Температура в печи поддерживалась на заданном уровне 1073 - 1373К с точностью ± 20К с помощью лабораторного трансформатора и измерялась при помощи калиброванной платинор