Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences65285510.31857/S0040357123050159MGGPGPArticlesСтатьиUnknownTheory of a Solid–Liquid Heterogeneous Reaction to Form a Gas PhaseТеория гетерогенной реакции твердое–жидкость с появлением газовой фазыMeshalkinV. P.МешалкинВ. П.vovabobkoff@mail.ruOrekhovV. A.ОреховВ. А.vovabobkoff@mail.ruBykovA. A.БыковА. А.vovabobkoff@mail.ruBobkovV. I.БобковВ. И.vovabobkoff@mail.ruShinkevichA. I.ШинкевичА. И.vovabobkoff@mail.ruMendeleev Russian University of Chemical TechnologyРоссийский химико-технологический университет имени Д.И. Менделеева, Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАНFrumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of SciencesНациональный исследовательский университет “МЭИ”Smolensk Campus, National Research University “Moscow Power Engineering Institute”Национальный исследовательский университет “МЭИ”Smolensk Campus, National Research University “Moscow Power Engineering Institute”Казанский национальный исследовательский технологический университетKazan National Research Technological University0109202357554555202022025Copyright ©; 2023, В.П. Мешалкин, В.А. Орехов, А.А. Быков, В.И. Бобков, А.И. ШинкевичCopyright ©; 2023, В.П. Мешалкин, В.А. Орехов, А.А. Быков, В.И. Бобков, А.И. Шинкевич2023В.П. Мешалкин, В.А. Орехов, А.А. Быков, В.И. Бобков, А.И. ШинкевичВ.П. Мешалкин, В.А. Орехов, А.А. Быков, В.И. Бобков, А.И. Шинкевичhttps://transsyst.ru/0040-3571/article/view/652855

An analytical model of a solid–liquid heterogeneous reaction to form a gas phase was presented. The model is based on the analysis of the main parameters that have the most significant effect on the intensity of the reaction. The formation of gas–liquid dissipative structures in the form of alternating flows of reacting phases that perform relaxation pulsations was shown. The formation, detachment, and movement of bubbles were described with a satisfactory adequacy. The dynamics and conditions for the formation of a gas bubble on a solid reaction surface were characterized. Relationships were obtained for estimating the mass-transfer coefficients, which correlate with experimental data. The developed analytical model of the heterogeneous reaction will give a better insight into the essence of the melting processes in ore-thermal furnaces, which will make it possible to make changes to these processes using qualitatively new parameters of their characteristic reactions. Analysis of the hydrodynamics with the formation of the gas phase by analytical and numerical methods suggested the type of the flow of the liquid phase. Typical was the presence of hydrodynamic structures that determined the ordered movement of the liquid phase with various methods of supplying the gas phase. The values of critical mass-transfer parameters were determined. In contrast to the boiling process, a crisis of the heterogeneous reaction is impossible because of the shielding of the reaction surface.

Представлена аналитическая модель гетерогенной реакции твердое–жидкость с возникновением газообразной фазы базирующаяся на анализе основных параметров, оказывающих наиболее существенное воздействие на интенсивность происходящей реакции. Показано наличие газожидкостных диссипативных структур в виде чередующихся потоков реагирующих фаз, совершающих релаксационные пульсации. Приведено описание процессов формирования пузырьков, их отрыва, движения, имеющих удовлетворительную адекватность. Описана динамика и условия формирования пузырька газа на твердой поверхности реагирования. Получены соотношения для оценки коэффициентов массообмена, коррелирующие с экспериментальными данными. Разработанная аналитическая модель гетерогенной реакции позволит лучше понимать сущность протекания процессов плавления в рудотермических печах, что даст возможность вносить изменения в технологический процесс данных установок, опирающиеся на качественно новые параметры характерных для них реакций. Анализ гидродинамики с формированием газовой фазы аналитическими и численными методами позволил получить соображение о форме протекания жидкой фазы. Типичным является присутствие гидродинамических структур, определяющих упорядоченное движение жидкой фазы при разнообразных методах подачи газовой фазы. Определены значения критических параметров массопереноса. В отличие от процесса кипения наличие кризисного режима при гетерогенной реакции невыполнимо из-за экранирования поверхности реакции.

chemical boilingreactant microlayerheterogeneous reactiongas-phase productscriterial mass-transfer equationsmass-transfer coefficientхимическое кипениемикрослой реагентагетерогенная реакциягазофазные продуктыкритериальные уравнения массообменакоэффициент массоотдачиPanchenko S.V., Shirokikh T.V. Thermal hydraulics of moving dispersive layer of process units // Theor. Found. Chem. Eng. 2016. V. 50. № 2. P. 217. [Панченко С.В., Широких Т.В. Теплогидравлика движущегося дисперсного слоя технологических агрегатов // Теор. осн. хим. технол. 2016. Т. 50. № 2. С. 223.].Meshalkin V.P., Bobkov V.I., Dli M.I., Orekhov V.A., Garabadzhiu A.V. Heat Conductivity of a Composite Phosphate Ore Material with Reacting Carbonate Inclusions // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2022. V. 56. № 6. P. 971–977.Meshalkin V., Bobkov V., Dli M., Dovì V. Optimization of energy and resource efficiency in a multistage drying process of phosphate pellets // Energies. 2019. T. 12. № 17. C. 3376.Meshalkin V.P., Kulov N.N., Panchenko S.V., Dli M.I., Bobkov V.I., Chernovalova M.V. Hydrodynamic aspects of heterogeneous reduction and dissolution reactions with the evolution of gas bubbles // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2021. Т. 55. № 4. P. 594. [Мешалкин В.П., Кулов Н.Н., Панченко С.В., Дли М.И., Бобков В.И., Черновалова М.В. Гидродинамические аспекты гетерогенных реакций восстановления и растворения с выделением пузырьков газа // Теорет. основы хим. технологии. 2021. Т. 55. № 4. С. 428].Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984.Keil F.J. Process intensification // Reviews in Chemical Engineering. 2018. V. 34. № 2. P. 135.Zhenga Z., Chena Y., Zhana X., Gaoa M., Wang Z. Mass transfer intensification in a novel airlift reactor assembly with helical sieve plates // The Chemical Engineering Journal. 2018. V. 342. P. 61.Zhang X., Guo K., Qi W., Zhang T., Liu C. Gas Holdup, Bubble Behaviour, and Mass Transfer Characteristics in a Two-Stage Internal Loop Airlift Reactor with Different Screens// The Canadian journal of chemical engineering. 2017. V. 95. P. 1202.Utikar R.P., Ranade V.V. Intensifying Multiphase Reactions and Reactors: Strategies and Examples // ACS Sustainable Chem. Eng.2017. V. 5. № 5. P. 3607.Räsänen M., Eerikäinen T., Ojamo H. Characterization and hydrodynamics of a novel helix airlift reactor // Chemical Engineering and Processing: Process Intensification. 2016. V. 108. P. 44.Wang, S., Guo, Y., Zheng, F., Chen, F., Yang, L. Improvement of roasting and metallurgical properties of fluorine-bearing iron concentrate pellets // Powder Technology. 2020. 376. P. 126–135.Елизаров Д.В., Шавалеев Р.Р., Елизаров В.И. Математическое моделирование и управление процессом массопереноса в аппаратах с непрерывным контактом фаз // Теорет. основы хим. технологии. 2018. Т. 52. № 3. С. 260.Лаптев А.Г., Карпеев С.В., Лаптева Е.А. Моделирование и модернизация тарельчатых колонн при проведении реакционно-массообменных процессов // Теорет. основы хим. технологии. 2018. Т. 52. № 1. С. 3.Пучков А.Ю., Лобанева Е.И., Култыгин О.П. Алгоритм прогнозирования параметров системы переработки отходов апатит-нефелиновых руд // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 1(97). С. 55–68.Цирлин А.М., Гагарина Л.Г., Балунов А.И. Синтез теплообменных систем, интегрированных с технологическим процессом // Теоретические основы химической технологии. 2021. Т. 55. № 3. С. 347–358.Ming Yan, Xinnan Song, Jin Tian, Xuebin Lv, Ze Zhang, Xiaoyan Yu, Shuting Zhang. Construction of a new type of coal moisture control device based on the characteristic of indirect drying process of coking coal // Energies. 2020. 13(16), 4162.Деревянко М.С., Кондратьев А.В. Исследование фазовых превращений и термодинамических свойств оксидных систем // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2022. Т. 65. № 3. С. 188–189.Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Изд-во МЭИ, 2000.Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: МГТУ, 2018.Аксельруд Г.А., Гумницкий Я.М., Маллиc С. Исследование химического кипения в области пузырькового режима // Инженерно-физический журн. 1987. Т.53. № 2. С. 205.Nayak D., Ray N., Dash N., (…), Pati S., De P.S. Induration aspects of low-grade ilmenite pellets: Optimization of oxidation parameters and characterization for direct reduction application // Powder Technology. 2021. 380. P. 408–420.Пучков А.Ю., Соколов А.М., Федотов В.В. Нейросетевой метод анализа процессов термической обработки окомкованного фосфатного рудного сырья // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 5. С. 62–76.Пучков А.Ю., Дли М.И., Прокимнов Н.Н., Шутова Д.Ю. Многоуровневые алгоритмы оценки и принятия решений по оптимальному управлению комплексной системой переработки мелкодисперсного рудного сырья // Прикладная информатика. 2022. Т. 17. № 6. С. 102–121.Belyakov N.V., Nikolina N.V. Plant protection technologies: From advanced to innovative // J. Physics: Conference Series. 2021. 1942(1), 012072.