Theory of a Solid–Liquid Heterogeneous Reaction to Form a Gas Phase

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

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.

About the authors

V. P. Meshalkin

Mendeleev Russian University of Chemical Technology; Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry, Russian Academy of Sciences

Email: vovabobkoff@mail.ru
125047, Moscow, Russia; 119991, Moscow, Russia

V. A. Orekhov


Smolensk Campus, National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

Email: vovabobkoff@mail.ru
214013, Smolensk, Russia

A. A. Bykov


Smolensk Campus, National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

Email: vovabobkoff@mail.ru
214013, Smolensk, Russia

V. I. Bobkov


Smolensk Campus, National Research University “Moscow Power Engineering Institute”

Email: vovabobkoff@mail.ru
214013, Smolensk, Russia

A. I. Shinkevich

Kazan National Research Technological University

Author for correspondence.
Email: vovabobkoff@mail.ru
420015, Kazan, Russia

References

  1. Panchenko 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.].
  2. 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.
  3. 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.
  4. 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].
  5. Кутателадзе С.С., Накоряков В.Е. Тепломассообмен и волны в газожидкостных системах. Новосибирск: Наука, 1984.
  6. Keil F.J. Process intensification // Reviews in Chemical Engineering. 2018. V. 34. № 2. P. 135.
  7. 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.
  8. 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.
  9. Utikar R.P., Ranade V.V. Intensifying Multiphase Reactions and Reactors: Strategies and Examples // ACS Sustainable Chem. Eng.2017. V. 5. № 5. P. 3607.
  10. 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.
  11. 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.
  12. 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.
  13. 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.
  14. 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.
  15. 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.
  16. 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.
  17. 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.
  18. Лабунцов Д.А. Физические основы энергетики. Избранные труды по теплообмену, гидродинамике, термодинамике. М.: Изд-во МЭИ, 2000.
  19. Теория тепломассообмена / Под ред. А.И. Леонтьева. М.: МГТУ, 2018.
  20. Аксельруд Г.А., Гумницкий Я.М., Маллиc С. Исследование химического кипения в области пузырькового режима // Инженерно-физический журн. 1987. Т.53. № 2. С. 205.
  21. 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.
  22. 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.
  23. 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.
  24. Belyakov N.V., Nikolina N.V. Plant protection technologies: From advanced to innovative // J. Physics: Conference Series. 2021. 1942(1), 012072.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2.

Download (27KB)
3.

Download (21KB)
4.

Download (21KB)

Copyright (c) 2023 В.П. Мешалкин, В.А. Орехов, А.А. Быков, В.И. Бобков, А.И. Шинкевич

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies