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温度变化引起的焓变

分类：资讯库时间：2012-02-22 浏览：63 次

文章内容

配比的影响

将配比调为82/18和85/15，设定反应时间也为60分钟，在每个配比下进行了三个实验。也就是说，一个实验测量温度，一个测量压力，一个测量固态混合物中化学成分。实验结果如图3.25到3.32

图3.27和3.28展示了当初始配比分别为82/18和85/15时铁矿石还原度和碳气化速率，当然，其他条件保持不变。配比为80/20的结果页引入来进行比较。当配比较低时，在同一反应时间和位置上，还原度更高。（图3.27）这是因为拥有更多的还原剂。然而，低的配比会导致局部产物中较高的碳残留。（3.28）

3.3实验结果的概述

在数学模型分析前，下面一些定性的结论必须给出：

（a）一维反应系统的设计可以简化实验，也便于数学分析。

（b）因为温度梯度的存在，故系统的非等温性应该在数学模型中体现出来。

（c）观察到反应床中压力梯度的形成发展，因此在用数学模型研究机理时应该设为非等压特性。

（d）沿物料高度方向，所有内部反应程度的变化暗示系统尺寸是一个重要的热力学参数。

（e）通过观察温度梯度，填充床内传热的重要性被证实，而且强烈依赖于炉温。

（f）在铁矿石球团和煤粉混合物中，煤越多能够加速反应速率、较高的碳残留和较差的固体产物。20%的含碳量足将铁矿石混合物还原为金属化铁。

第四章数学模型

第四章中将进行更为广泛地研究，包括下面的内容：
1）在大量吸热反应（碳气化）的地方存在较大的温度梯度。
2）各层中大量碳气化、铁矿石还原反应的地方，气压和压力梯度会变化。
3）为了解释上述观察到的数据，一个非等温等压的数学模型将建立起来。
4.1策略
系统中物理和化学过程都是（如传热、气流和化学反应速率）通过物理属性和热力学参数依赖于温度的。例如：导热、粘度和反应速率常数等。很清楚所有动力学表达式都是温度的函数。局部温度的变化由包括传热（如化学反应热、由导热对流辐射传入的净热量Q）等决定。因此，能量方程（决定温度必须的）必须包含所有化学反应和对流换热，又由于多孔介质中气流将引入导热和辐射传热。多孔介质中气流方程应当包括局部压力梯度项、局部孔隙率、温度和化学反应速率。应该指出模型应当由大量同时发生的方程组成，以此来决定随反应时间、热面距离和初始边界条件变化的变量集。
4.2系统的构造与属性
系统几何形状是圆柱状、一维轴向的，如实验设计一样。模型中，把圆柱轴向定义为X方向。图4.1是一个控制体的横截面区域。
4.3多孔介质中的传热
在多孔介质填充床中，不仅两相（气-固）之间而且固-固之间传热也是很明显的。在当前（实验）配比中，存在大面积的固体表面（填充床中大约95000M²/M³）这样提供了大量的气-固接触面。因此，气-固相之间传热速率相当高。因此我们认为气相和固相在同一高度上，温度是相等的。
从原则上将，传热方程应该包括导热、对流和辐射项。这些机理改变的相对重要性依赖于固相性质、多孔结构、温度和气流。在多孔介质中，处理辐射传热一般是引入一个有效导热模型。（GEIGER AND POIRIER,1973;GABOR AND BOTTERILL,1985）。因此，传热方程由导热和对流换热项组成，化学反应热作为源项和耗散项。
一维系统的控制体积热平衡如下表示：
。。。
。。。
（2）多孔介质中气流方程，用表观速率代替平均速率更为方便。表观速率为V₀，定义为气流穿过空控制体时的速率。
（3）。。。

（4）温度变化引起的焓变。

通过把方程4.3/4.4和4.8~4.11代入方程4.2中，并将4.2用离散化。趋于零，就得到了下面的方程4.12

混合物的有效导热应当包含多孔介质中气相和固相间导热、每个颗粒内部孔隙和颗粒间孔隙的辐射传热。每个机理相对重要性依赖于温度、固相属性和混合物结构。一个关于这两个机理的数值估计显示在当前的实验条件下，导热是传热的控制步骤，而辐射传热被忽略了，因为其对数值计算不会产生太大影响。关于详细的混合物的有效导热和有效热熔的估计将在附录1中给出。混合物密度的改变可以利用初始值和化学反应速率计算出来。

为了解决方程4.12，应该同时给出气体的方程，如下。

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