Radovan Omorjan deleted subsectionlargetextb2.tex  almost 10 years ago

Commit id: 7a39267a8172011c0efbeb2194194997117184ef

deletions | additions      

       

Koeficijent_za_preno.tex  sectionlargetextbfPo.tex  sectionlargetextbfMo.tex  subsectionlargetextb2.tex  subsectionlargetextb3.tex  sectionlargetextbfSp.tex  sectionlargetextbfBr.tex           

\section{\large\textbf{Mehani\v{c}ke osobine fluidizovanog sloja}}  U ovom delu su prvenstveno opisani oblasti fluidizovanog sloja i date su jedna\v{c}ine za izra\v{c}unavanje minimalne i maksimalne brzine fluidizacije. Nadalje je opisan Kunii-Levenspiel bubbling \textit{bed model}\footnote{D. Kunii and O. Levenspiel, Fluidization Engineering (New York: Wiley, 1968).}. Na kraju su izvedene jedna\v{c}ine koje opisuju udeo mehurova u sloju, veli\v{c}inu mehurova, brzinu rasta mehurova, kao i zapreminski udeo mehurova, magle i pobudne faze.  \subsection{\large\textbf{Opis fenomena}}  Razmatramo vertikalnu kolonu u kom se razvija fluidizovani sloj \v{c}vrstih \v{c}estica koji na dnu ima poroznu ili perforiranu plo\v{c}u za distribuciju gasa, slika \ref{slika2}a. Smer proticanja gasa je od dole ka gore kroz sloj.           

\subsection{\large{\textbf{Bilans faze mehurova}}}  Ulazna koli\v{c}ina komponente A na visini \textit{z}predstavlja fazu mehurova u protoku,  \begin{equation*}  \left({u}_{b}{A}_{c}{C}_{\mathit{Ab}}\right)\left(\delta\right)=\left(\begin{matrix}\mathit{brzina}\mathit{protoka}\\\mathit{komponente}A\left(\mathit{mol}\right)\\\mathit{pretpostvaljeno}\\\mathit{da}\mathit{ispunjava}\mathit{ulaz}\\u\mathit{sloj}\mathit{sa}\mathit{mehur}\mathit{ovima}\end{matrix}\right)(\mathit{udeo}\mathit{sloja}\mathit{koji}\mathit{sadr\text{\v{z}}i}\mathit{mehurove})  \end{equation*}  Sli\v{c}anim izrazom se mo\v{z}e zapisati i koli\v{c}ina A koja napu\v{s}ta fazu mehurova pri protoku kada je $z+{\Delta}z${.}  \begin{equation*}  \mathit{Ulaz}\left(\mathit{protok}\right){\ \ \ \ \ }\mathit{Izlaz}\left(\mathit{protok}\right){\ \ \ \ }+{\ \ \ \ }\mathit{Izlaz}\left(\mathit{prenos}\mathit{mase}\right){\ \ }+{\ \ }\mathit{Generisanje}  \end{equation*}  \begin{equation*}  \left({u}_{b}{A}_{c}{C}_{\mathit{Ab}}\right){\left.(\delta  )\right|}_{x}-{\left.({u}_{b}{A}_{c}{C}_{\mathit{Ab}}\delta  )\right|}_{z+{\Delta}x}-{K}_{\mathit{bc}}\left({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}}\right){A}_{c}{\Delta}\mathit{z\delta  }-{k}_{b}{{C}_{\mathit{Ab}}}^{n}{A}_{c}{\Delta}\mathit{z\delta }=0  \end{equation*}  Deljenjem sa ${A}_{c}{\Delta}\mathit{z\delta}$ i uzimaju\'ci u obzir da ${\Delta}z\rightarrow 0$ bilans komponente A  u fazi mehurova u stacionarnom stanju u delu ${\Delta}z$ ima oblik\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Bilans za mehur\end{framed}}:  \begin{equation}  \boxed{{u}_{b}\frac{d{C}_{\mathit{Ab}}}{\mathit{dz}}=-{k}_{b}{{C}_{\mathit{Ab}}}^{n}-{K}_{\mathit{bc}}({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}})}  \end{equation}  \subsection{\large{\textbf{Bilans faze magle (oblaka)}}}  Pri odre{\dj}ivanju materijalnog bilansa magle i pobudne faze u delu ${\Delta}z$ je najjednostavnije prora\v{c}un bazirati na zapremini mehura. Tako imamo da je materijalni bilans magle i pobudne faze\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Bilans za maglu\end{framed}}  \begin{equation}  \boxed{{u}_{b}\delta \left[\frac{3\left(\cfrac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}{{u}_{\mathit{br}}-\left(\cfrac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}+\alpha  \right]\frac{d{C}_{\mathit{Ac}}}{\mathit{dz}}={K}_{\mathit{bc}}\left({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}}\right)-{K}_{\mathit{ce}}({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}})-{k}_{c}{{C}_{\mathit{Ac}}}^{n}}  \end{equation}  \subsection{\large{\textbf{Bilans emulzije}}}  Udeo sloja u emulzionoj fazi se mo\v{z}e izraziti kao 1-$\delta $-$\varepsilon \delta $. Materijalni bilans za komponentu A u emulziji data je slede\'cim izrazom za materijalni bilans komponente A u emulzionoj fazi:\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Bilans za emulziju\end{framed}}  \begin{equation}  \boxed{{u}_{e}\left(\frac{1-\delta -\mathit{\alpha \delta }}{\delta  }\right)\frac{d{C}_{\mathit{Ae}}}{\mathit{dz}}={K}_{\mathit{ce}}({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}})-{k}_{e}{{C}_{\mathit{Ae}}}^{n}}  \end{equation}  Ova tri tipa materijalnih bilansa predstavljaju tri obi\v{c}ne diferencijalne jedna\v{c}ine, sa jednom nezavisnom promenljivom ($z$) i sa tri zavisne promenljive (${C}_{\mathit{Ab}}$, ${C}_{\mathit{Ac}}$, ${C}_{\mathit{Ae}}$). Ove tri jedna\v{c}ine se mogu re\v{s}iti numeri\v{c}kim putem. Model koji su predlo\v{z}ili Kunii i Levenspiel za dalje pojednostavljenje ove diferencijalne jedna\v{c}ine uvode\'ci pretpostavku da izvod sa leve strane materijalnog bilansa za maglu i emulziju budu zanemarljivo male u odnosu na desni deo jedna\v{c}ina. Upotrebljavaju\'ci ovu pretpostavku  i zamenjuju\'ci da je $t=z/{u}_{b}$ (tj. vreme koje mehur provede u sloju), ove tri diferencijalne jedna\v{c}ine dobijaju slede\'ci oblik (bilansne jedna\v{c}ine):  \begin{framed}  \begin{equation} \marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}BILANSNE JEDNA\v{C}INE\end{framed}  \begin{equation}  {K}_{\mathit{bc}}\left({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}}\right)={k}_{c}{{C}_{\mathit{Ac}}}^{n}+{K}_{\mathit{ce}}({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}})  \end{equation}  \begin{equation}  {K}_{\mathit{ce}}\left({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}}\right)={k}_{e}{{C}_{\mathit{Ae}}}^{n}  \end{equation}  \subsection{\large{\textbf{Deljenje katalizatora}}}  Kako bi se re\v{s}ile bilansne jedna\v{c}ine, neophodno je poznavati vrednosti ${k}_{b}$, ${k}_{c}$ i ${k}_{e}$. Tako da se defini\v{s}u tri nova parametra  \begin{equation*}  {\gamma  }_{b}:\frac{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{\text{\v{c}}vrstog}{\ }\mathit{katalizatora}{\ }\mathit{dispergovanog}{\ }u{\ }\mathit{mehuru}}{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{mehura}}  \end{equation*}  \begin{equation*}  {\gamma  }_{c}:\frac{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{\text{\v{c}}vrstog}{\ }\mathit{katalizatora}{\ }u{\ }\mathit{magli}{\ }i{\ }\mathit{pobudnoj}{\ }\mathit{fazi}}{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{mehura}}  \end{equation*}  \begin{equation*}  {\gamma  }_{e}:\frac{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{\text{\v{c}}vrstog}{\ }\mathit{katalizatora}{\ }u{\ }\mathit{emulzionoj}{\ }\mathit{fazi}}{\mathit{Zapremina}{\ }\mathit{mehura}}  \end{equation*}  Najpre specifi\v{c}na brzina reakcije \v{c}vrstog katalizatora, ${k}_{\mathit{cat}}$ mora biti poznata. To se odre{\dj}uje eksperimentalnim putem. Deo izraza je izra\v{z}en ${k}_{\mathit{cat}}{{C}_{A}}^{n}$ kao g-molova reagovanog po jedinici zapremine \v{c}vrstog katalizatora. Tada je  \begin{equation}  {k}_{b}={\gamma }_{b}{k}_{\mathit{cat}};{k}_{c}={\gamma  }_{c}{k}_{\mathit{cat}};{k}_{e}={\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}  \end{equation}  \begin{equation*}  {k}_{\mathit{cat}}={\rho  }_{c}{\ }{k}^{'}=\frac{g\mathit{cat}}{{\mathit{cm}}^{3}\mathit{cat}}{\ }\frac{{\mathit{cm}}^{3}}{g\mathit{cat}{\ }s}{\Big(\frac{{\mathit{cm}}^{3}}{\mathit{mol}}\Big)}^{n-1}=\frac{{\mathit{cm}}^{3}}{\mathit{cat}{\ }s}{\Big(\frac{{\mathit{cm}}^{3}}{\mathit{mol}}\Big)}^{n-1}  \end{equation*}  Vrednost ${\gamma}_{b}$ ima vrednost izme{\dj}u 0.001 i 0.01, gde mu je naj\v{c}e\v{s}\'ca vrednost od 0.005. Zapreminski udeo katalizatora u magli i pobudne faze je $({1-\varepsilon}_{\mathit{mf}})$. Zapremina magle i pobudne\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Pretpostavka ${\gamma }_{c}\sim0.01$\end{framed}} faze po jedinici zapremine mehura je   \begin{equation*}  \frac{{V}_{c}}{{V}_{b}}=\frac{3\left(\frac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}{{u}_{b}-\left(\frac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}  \end{equation*}  Tako da je izraz\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Zapremina katalizatora u magli je ${\gamma }_{c}$\end{framed}} za ${\gamma }_{c}$  \begin{equation}  \boxed{{\gamma }_{c}=\left({1-\varepsilon  }_{\mathit{mf}}\right)\left[\frac{3\left(\frac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}{{u}_{b}-\left(\frac{{u}_{\mathit{mf}}}{{\varepsilon  }_{\mathit{mf}}}\right)}\right]+\alpha}  \end{equation}  Ispostavilo se da je realna vrednost $\alpha$ daleko od bezna\v{c}ajne vrednosti u \ izrazu za ${\gamma}_{c}$ i predstavlja slabost ovog modela zato \v{s}to ne postoji adekvatan metod kako bi se odredilo $\alpha$. Tipi\v{c}na vrednost ${\gamma }_{c}$ se kre\'ce u opsegu od 0.3 do 0.4. Za vrednost ${\gamma }_{c}$ se mo\v{z}e dobiti neta\v{c}na vrednost, pogotovo, ukoliko $\alpha$ ima vrednost 1.  Zapreminski udeo \v{c}vrste faze u emulzionoj fazi iznosi ${1-\varepsilon}_{\mathit{mf}}$. Zapremina emulzije po jedinici zapremine mehura iznosi:  \begin{equation*}  \frac{{V}_{e}}{{V}_{b}}=\left(\frac{1-\delta }{\delta  }\right)-\left(\frac{\mathit{Zapremina}\mathit{magle}i\mathit{pobudne faze}}{\mathit{Zapremina}\mathit{mehurova}}\right)  \end{equation*}  Tako da je izraz za ${\gamma }_{e}$  \begin{equation}  {\gamma }_{e}=\left({1-\varepsilon  }_{\mathit{mf}}\right)\left(\frac{1-\delta }{\delta }\right)-{\gamma  }_{c}-{\gamma }_{b}  \end{equation}  Tipi\v{c}na vrednosti ${\gamma}_{b}$, ${\gamma}_{c}$ i ${\gamma}_{e}$ su 0.005, 0.2 i 1.5. Upotrebljavaju\'ci izraz koji je gore naveden i ukoliko ih uvrsimo u jedna\v{c}ine bilansa dobijaju se slede\'ci izrazi:\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Za reaktore u kojima se ne odvija reakcija nultog ili prvog reda, ove jedna\v{c}ine je potrebno re\v{s}avati numeri\v{c}ki\end{framed}}  \begin{framed}  \begin{tabular}{ l p{11.1cm} }   Bilans mehurova & \parbox{11.1cm}{\begin{equation}   \frac{d{C}_{\mathit{Ab}}}{\mathit{dt}}=-({\gamma  }_{b}{k}_{\mathit{cat}}{{C}_{\mathit{Ab}}}^{n})-{K}_{\mathit{bc}}({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}})\end{equation}}\\  Bilans magle & \parbox{11.1cm}{\begin{equation} {K}_{\mathit{bc}}\left({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}}\right)={\gamma  }_{c}{k}_{\mathit{cat}}{{C}_{\mathit{Ac}}}^{n}+{K}_{\mathit{ce}}({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}})\end{equation}}\\  Bilans emulzije & \parbox{11.1cm}{\begin{equation}  {K}_{\mathit{ce}}\left({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}}\right)={\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}{{C}_{\mathit{Ae}}}^{n}\end{equation}}\\  \end{tabular}  \end{framed}  \subsection{\large{\textbf{Re\v{s}enje jedna\v{c}ine bilansa za reakciju prvog reda}}}  Ukoliko je reakcija prvog reda, tada se ${C}_{\mathit{Ac}}$ i ${C}_{\mathit{Ae}}$ mogu eliminisati upotrebom dve algebarske jedna\v{c}ine, a tada se diferencijalna jedna\v{c}ina mo\v{z}e analiti\v{c}ki re\v{s}iti za ${C}_{\mathit{Ab}}$ u funkciji vremena. Analogna situacija se javlja i kod reakcija koje su nultog reda. Ukoliko se izuzmu te dve situacije, re\v{s}enje ove dve jedna\v{c}ine se mora re\v{s}avati numeri\v{c}ki.  Za reakcije prvog reda, mo\v{z}e se kombinovati da se sve tri jedna\v{c}ine bilansa prevedu u jednu diferencijalnu, nakon \v{c}ijeg re\v{s}avanja se mo\v{z}e dobiti vrednost konverzije u reaktoru sa fluidizovanim slojem. Zatvorena forma re\v{s}enja (eng. \textit{closed form solution}) dozvoljava ispitivanje grani\v{c}nih slu\v{c}ajeva na ta\v{c}no odre{\dj}uju\'ci koji operativni uslovi najvi\v{s}e ode{\dj}uju karakteristike fluidizovanog sloja. Mo\v{z}e se pretpostaviti nekolicina {\quotedblbase}what if...{\textquotedblleft} pitanja za odre{\dj}ivanje ovih osobina. Kako bi se lak\v{s}e opisao ovaj model fluidizovanog sloja, pojednostavi\'cemo izraze za koncentraciju A u emulziji, ${C}_{\mathit{Ae}}$, i u magli, ${C}_{\mathit{Ac}}$ u izrazu za koncentraciju mehura, ${C}_{\mathit{Ab}}${.} Prvo \'cemo upotrebiti bilansnu jedna\v{c}inu za emulziju  \begin{equation}  {K}_{\mathit{ce}}\left({C}_{\mathit{Ac}}-{C}_{\mathit{Ae}}\right)={\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}{{C}_{\mathit{Ae}}}^{n}  \end{equation}  Reorganizacijom jedna\v{c}ine za reakciju prvog reda (n=1), razmatramo slede\'ci izraz   \begin{equation}  {C}_{\mathit{Ae}}=\frac{{K}_{\mathit{ce}}}{{\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}}{C}_{\mathit{Ac}}  \end{equation}  Sada mo\v{z}emo upotrebiti ovu jedna\v{c}inu za odre{\dj}ivanje ${C}_{\mathit{Ae}}$ {u magli}  \begin{equation*}  {K}_{\mathit{bc}}\left({C}_{\mathit{Ab}}-{C}_{\mathit{Ac}}\right)={C}_{\mathit{Ac}}{\gamma  }_{c}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}\left({C}_{\mathit{Ac}}-\frac{{K}_{\mathit{ce}}{C}_{\mathit{Ac}}}{{\gamma}_{e}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}}\right)  \end{equation*}  Re\v{s}avanjem za ${C}_{\mathit{Ac}}$ u izrazu za ${C}_{\mathit{Ab}}$  \begin{equation}  {C}_{\mathit{Ac}}=\frac{{K}_{\mathit{bc}}}{{\gamma}_{c}{k}_{\mathit{cat}}+\left[\cfrac{{K}_{\mathit{ce}}{\gamma}_{e}{k}_{\mathit{cat}}}{{\gamma}_{c}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}}\right]+{K}_{\mathit{bc}}}{C}_{\mathit{Ab}}  \end{equation}  Sada zamenjujemo za ${C}_{\mathit{Ac}}$ u bilanskoj jedna\v{c}ini za mehur  \begin{equation*}  \frac{d{C}_{\mathit{Ab}}}{\mathit{dt}}={\gamma }_{b}{k}_{\mathit{cat}}{C}_{\mathit{Ab}}+\left({C}_{\mathit{Ab}}-\frac{{K}_{\mathit{bc}}{C}_{\mathit{Ab}}}{{\gamma}_{c}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{bc}}+\left(\cfrac{{K}_{\mathit{ce}}{\gamma}_{e}{k}_{\mathit{cat}}}{{\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}}\right)}\right)  \end{equation*}  Preure{\dj}ivanjem dobijamo  \begin{equation*}  \frac{d{C}_{\mathit{Ab}}}{\mathit{dt}}={k}_{\mathit{cat}}{C}_{\mathit{Ab}}\left({\gamma}_{b}+\frac{{\gamma }_{e}{\gamma}_{c}{k}_{\mathit{cat}}{K}_{\mathit{bc}}+{\gamma}_{c}{K}_{\mathit{bc}}{K}_{\mathit{ce}}+{K}_{\mathit{ce}}{\gamma}_{e}{K}_{\mathit{bc}}}{{\gamma }_{e}{\gamma  }_{c}{{k}_{\mathit{cat}}}^{2}+{K}_{\mathit{ce}}{\gamma}_{c}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{bc}}{\gamma  }_{e}{k}_{\mathit{cat}}+{K}_{\mathit{ce}}{K}_{\mathit{bc}}+{K}_{\mathit{ce}}{\gamma}_{e}{k}_{\mathit{cat}}}\right)  \end{equation*}  Nakon daljeg sre{\dj}ivanja se dobija izraz  \begin{equation}  -\frac{{d{C}_{\mathit{Ab}}}}{\mathit{dt}}={k}_{\mathit{cat}}{C}_{\mathit{Ab}}\left[{\gamma}_{b}+\frac{1}{\cfrac{{k}_{\mathit{cat}}}{{K}_{\mathit{bc}}}+\cfrac{1}{{\gamma}_{c}+\cfrac{1}{\cfrac{1}{{\gamma  }_{e}}+\cfrac{{k}_{\mathit{cat}}}{{K}_{\mathit{ce}}}}}}\right]  \end{equation}  \begin{equation}  \boxed{{K}_{R}={\gamma}_{b}+\cfrac{1}{\cfrac{{k}_{\mathit{cat}}}{{K}_{\mathit{bc}}}+\cfrac{1}{{\gamma}_{c}+\cfrac{1}{\cfrac{1}{{\gamma}_{e}}+\cfrac{{k}_{\mathit{cat}}}{{K}_{\mathit{ce}}}}}}}  \end{equation}  \begin{equation}  -\frac{{d{C}_{\mathit{Ab}}}}{\mathit{dt}}={k}_{\mathit{cat}}{K}_{R}{C}_{\mathit{Ab}}  \end{equation}  Izra\v{z}avanjem ${C}_{\mathit{Ab}}$ kao funkcije od stepena konverzije, $X$, imamo da je  \begin{equation*}  {C}_{\mathit{Ab}}={C}_{\mathit{A0}}(1-X)  \end{equation*}  Mo\v{z}emo izvr\v{s}iti zamenu kako bismo razmatrali ovu relaciju  \begin{equation*}  \frac{\mathit{dX}}{\mathit{dt}}={k}_{\mathit{cat}}{K}_{R}\left(1-X\right)  \end{equation*}  Nakon integraljenja dobijamo izraz\marginnote{\centering \scriptsize \begin{framed}Projektna jedna\v{c}ina\end{framed}}  \begin{equation}  \boxed{\ln  \left(\frac{1}{1-X}\right)={k}_{\mathit{cat}}{K}_{R}t}  \end{equation}  Visina sloja nepohodna da bi se ostvario ovaj stepen konverzije  \begin{equation*}  h=t{u}_{b}  \end{equation*}  \begin{equation}  \boxed{h=\frac{{u}_{b}}{{k}_{\mathit{cat}}{K}_{R}}\ln\frac{1}{1-X}\label{jed.52}}  \end{equation}  Tada je odgovaraju\'ca koli\v{c}ina katalizatora  \begin{equation}  W={\rho }_{c}{A}_{c}h\left(1-{\varepsilon}_{\mathit{mf}}\right)(1-\delta )  \end{equation}  \begin{equation}  W=\frac{{\rho }_{c}{A}_{c}{u}_{b}\left(1-{\varepsilon}_{\mathit{mf}}\right)(1-\delta )}{{k}_{\mathit{cat}}{K}_{R}}\ln\frac{1}{1-X}  \label{jed.54}  \end{equation}  \subsection{\large{\textbf{Procedura}}}  Na \v{z}alost, potrebno je upotrebiti iretativni postupak kako bi se odredila potrebna masa katalizatora. Ovo predvi{\dj}anje predstavlja zapravo efekat dva faktora K{\textsubscript{R}} u \textsubscript{b} koji zavise od pre\v{c}nika mehurova koji su u direktnoj vezi sa visinom fluidizovanog sloja. Potrebno je proveriti odabran srednji pre\v{c}nik mehra upotrebljavaju\'ci vrednost \textit{h} koja  je izra\v{c}unata iz jedna\v{c}ine \ref{jed.52}. Procedura prora\v{c}una je data na slici \ref{slika9}.