Перемешивание реагентов с энергоносителем в смесителе

 

Одной из особенностей ПХ-процессов является то, что часть химических превращений происходит в процессе перемешивания сырья с плазмой. Наличие этой особенности и определяет необходимость раздельного анализа и моделирования реактора и смесителя.

Смешение реагентов с энергоносителем – один из важнейших этапов ПХ-процесса. На этом этапе необходимо обеспечить прогрев сырья до требуемой температуры и перемешать реагенты настолько, чтобы каждая молекула имела возможность вступить во взаимодействие (то есть до молекулярного уровня). При этом требования к интенсивности перемешивания оказываются очень жесткими, поскольку продолжительность смешивания должна быть меньше продолжительности химической реакции (t» 10^-4 – 10^-3с). Считается, что продолжительность перемешивания должна быть на порядок меньше продолжительности ПХ-процесса.

Стадии перемешивания

Используемые в ПХ-процессах реагенты могут находиться в различных агрегатных состояниях: газообразном, жидком, в виде суспензий, эмульсий, паст и твердых веществ. Часто процесс перемешивания разделяют на две стадии [1].

1-й стадией процесса перемешивания обычно является ввод и равномерное распределение отдельных частиц сырья (турбулентных глобул газа, капель жидкости, частиц порошка) по всему сечению наиболее высокотемпературной зоны энергоносителя.

Затем, на 2-й стадии, происходит перемешивание до молекулярного уровня (дробление и диффузия турбулентных глобул газа, испарение конденсированных частиц и взаимная диффузия образовавшихся паров). Следует отметить, что разделение на такие стадии является довольно условным.

На 1-й стадии, учитывая тот факт, что продолжительность испарения конденсированных частиц и диффузии глобул газа существенно возрастают с увеличением их размера, необходимо организовать процесс так, чтобы размер вводимых диспергированных частиц был невелик.

Поэтому в большинстве случаев целесообразно использовать мелкие фракции порошка сырья, применять форсунки с интенсивным дроблением жидкости, а газообразные реагенты вводить через отверстия малого диаметра. При этом желательно, чтобы распределение частиц по размерам было бы близко к монодисперсному.

На 1-й стадии компоненты сырья распределяются по объему равномерно в виде глобул, внутри которых, однако, распределение концентрации неравномерное. На 2-й стадии за счет процессов диффузии происходит выравнивание концентраций на молекулярном уровне.

При перемешивании глобулы дробятся, пока не достигнут размеров, определяемых соотношением Колмогорова:

,

 

где – характерный размер потока (диаметр трубки).

Исследования показали, что продолжительность дробления глобул до размеров  превышает время молекулярной диффузии в маштабе . Поэтому скорость процесса перемешивания определяется скоростью уменьшения размеров только крупных глобул, размер которых соизмерим с характерным размером отверстия, через которое вводится сырье.