точных для создания ХТС при выполнении учебных заданий. Для изучения возможностей других вспомогательных модулей

Design-IIfor Windows следует читать DESIGN II Reference Guide,

выход на который возможен через Help.

Ниже будут рассмотрены основные модули реакторов, пред­ ставленные в Design-II fo r Windows, знание возможностей кото­ рых необходимо при выполнении учебных заданий: стехиометри­ ческий реактор, равновесный реактор и реактор идеального вытес­ нения.

СТЕХИОМЕТРИЧЕСКИЙ РЕАКТОР (Reactor)

Стехиометрический реактор предназначен для расчета матери­ ального и теплового балансов одной химической реакции при из­ вестной степени превращения по ключевому компоненту. В качест­ ве дополнительных опций в мо­ дуль реактора заложена возможность моделирования ос­ новных химических процессов производства аммиака и метано­ ла: паровая и паровоздушная конверсии, паровая конверсия монооксида углерода, метани-

рование, синтез аммиака и мета­

Рис. 5.48. Изображение модуля Reactor

нола. Изображение модуля представлено на рис. 5.48.

Данный модуль может работать как с однофазными, так и с двух­ фазными потоками. Однако для большинства режимов работы на вход реактора должны подаваться только однофазные газовые пото­ ки. Если на вход модуля подключено несколько потоков, то автома­ тически реализуется функция смесителя и давление всех входных по­ токов приравнивается минимальному входному давлению с расче­ том адиабатического расширения потоков с большим давлением. На выходе из реактора может быть только один поток.

Для задания основных опций расчета реактора необходимо зай­ ти в модуль, нажать кнопку____ Ва*'с..._____ | (рИС, 5.49).

В связи с тем, что реактор имеет большое количество вариантов ввода исходных данных, рассмотрим порядок пользования опциями модуля на примерах.

Рис. 5.50. Изображение окна для ввода химической реакции

Для ввода необходимого набора исходных данных в этом окне необходимо:

- в поле Overall stioichiometric coefficients (стехиометрические коэффициенты), используя «мышь» и поле ввода, ввести все сте­ хиометрические коэффициенты химической реакции с учетом того, что реагенты вводятся со знаком минус;

- в поле Conversion of Key Component (степень превращения ключевого компонента) в ниспадающем меню необходимо выбрать ключевой компонент и задать степень превращения по этому ком­ поненту в долях или процентах.

Заполнение поля Heat of Reaction per mole of Key Component (те­ плота реакции, отнесенная к молю ключевого компонента) не являет­ ся обязательным, так как если используются компоненты с ГО < 99, то тепловой баланс будет считаться автоматически. Однако число, введенное в данное поле, имеет приоритет над расчетным значением.

При вводе исходных данных следует иметь в виду, что при рабо­ те в режиме Stoichiometric Reaction модуль позволяет рассчитывать материальный и тепловой балансы любых реакций, включая термо­ динамически невозможные и не уравненные по коэффициентам.

4. В случае если вещества, используемые в химической реак ции, имеют порядковый номер по базе данных (ID) больше 99,

то расчет теплового баланса для химической реакции будет про­ веден неверно, т. к. для этих компонентов в базе данных Design-II отсутствуют значения энтальпии образования. Для ввода энталь­ пий образования (Heat of Formation) следует нажать кнопку

Component Heat of Reaction Properties... I (ЪИС. 5 51)

Рис. 5.51. Изображение окна для ввода энтальпии образования

Значения энтальпий образования для веществ можно взять из справочной литературы, например из справочника: М. X. Карапетьянц, М. Л. Карапетьянц «Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ». М: Химия, 1968.469 с.

Следует обратить внимание, что в таблице имеется два поля для ввода стандартных энтальпий образования веществ (при 298 К), находящихся в различном фазовом состоянии: Heat of Formation — для веществ в газовой фазе и Heat of Formation (Liquid) — для ве­ ществ в жидкой фазе.

Как было сказано выше, кроме модели стехиометрического ре­ актора в модуль реактора заложена возможность моделирования ос­ новных химических процессов производства аммиака и метанола:

-паровая конверсия — Steam Reformer;

-паровоздушная конверсия — Secondary Reformer;

-паровая конверсия монооксида углерода — СО Shift Reaction;

-метанирование — Methanation Reaction;

-синтез аммиака — Ammonia Synthesis Reaction;

-синтез метанола — Methanol Synthesis Reaction.

При использовании указанных процессов нет необходимости вводить дополнительно теплоты образования веществ, ID которых больше 99.

Суть моделирования указанных процессов заключается в рас­ чете термодинамического равновесия указанного процесса для со­ става входящего потока при заданных ограничениях по расчету теп­ лового баланса.

Кроме того, при выборе того или иного специфичного процесса возникают ограничения по составу, характерные для этого процесса.

Конверсия СО:

СО (газ) + НгО (газ) = С 0 2 (газ) + Н2 (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: СО, Н20 , С 0 2 и Н2. Углеводо­ роды считаются инертами. Концентрация 0 2 во входящих потоках должна быть равна НУЛЮ.

Метанирование:

С 02 (газ) + Н2(газ) = СО (газ) + НЮ (газ),

СО (газ) + ЗН2 (газ) = СН4 (газ) + НЮ (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: СО, Н20 , С 02, СН4 и Н2. Угле­ водороды, отличные от СН4, считаются инертами. Концентрация 0 2 во входящих потоках должна быть равна НУЛЮ.

Вторичный риформинг:

СН4 (газ) + H P (газ) = СО (газ) + ЗН 2 (газ),

СО (газ) + НЮ (газ) = С 0 2 (газ) + Н2 (газ),

Н2 (газ) + 0,5О2 (газ) = НЮ (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: CR,, СО, Н20 , С 02, 0 2 и Н2. Углеводороды, отличные от СН4, считаются инертами. Если 0 2 при­ сутствует на входе в реактор, то на выходе из реактора его концен­ трация будет равна НУЛЮ.

Паровой риформинг:

СтН„ (газ) + НЮ (газ) = СО (газ) + ЗН 2 (газ),

СИ, (газ) + н р (газ) = СО (газ) + ЗН 2 (газ),

СО (газ) + HjO (газ) = С 02 (газ) + Н2 (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: СН4, СО, Н20 , С02 и Н2. Если в потоках присутствуют углеводороды (С„,НП) и 0 2, то на выходе из реактора их концентрации будут равны НУЛЮ.

Синтез метанола:

С 02(газ) + Н2(газ) = СО (газ) + H P (газ),

СО (газ) + 2Н2 (газ) = СН3ОН (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: СО, Н20 , С 02, СН3ОН и Н2. Все остальные компоненты, включая 0 2, считаются инертами.

Синтез аммиака:

N2 (газ) + ЗН2 (газ) = 2NH3 (газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по вещест­ вам должны быть выбраны вещества: N2, Н2 и NH3. Все остальные компоненты, включая 0 2, считаются инертами.

В соответствии с рис. 5.40 ограничения по расчету теплового баланса задаются с помощью ниспадающего меню в поле Heat Transfer.

Так, при выборе:

- Temperature Out («Температура на выходе реактора») — необходимо будет ввести температуру на выходе реактора (тепло­ вой баланс химической реакции считаться не будет). Данный режим в основном используется при проведении расчетов для термодина­ мического анализа в курсовых и дипломных работах;

-Adiabatic Reactor («Адиабатический реактор») — будет про­ веден расчет теплового баланса для адиабатических условий. Дан­ ный режим используется для расчетов ХТС с химическим реактором;

-Isothermal Reactor («Изотермический реактор»)— темпера­ тура на выходе реактора равна температуре на входе, а при наличии нескольких входящих потоков — равна температуре после их сме­ шения. Данный режим в основном используется при проведении

расчетов для термодинамического анализа в курсовых и диплом­ ных работах;

- Reactor Duty («Адиабатический реактор с дополнительной тепловой нагрузкой») — необходимо ввести величину дополни­ тельной тепловой нагрузки в соответствующих единицах измере­ ния, которая будет учтена при расчете теплового баланса. При отво­ де тепла из реактора вводится отрицательное число, а при подво­ де — положительное. Данный режим используется для расчетов ХТС с химическим реактором.

При составлении учебных заданий не требуется ввод каких-ли­ бо дополнительных данных в окне, открывающемся при нажатии кнопки I Spcafic Reaction Detaib... | (в полях данного окна все активные зна­ чения должны быть равны НУЛЮ).

РАВНОВЕСНЫЙ РЕАКТОР (Equil Reactor)

Равновесный химический реактор предназначен для расчета термодинамического равновесия в многокомпонентной газофазной системе совместно с материальным и тепловым балансами. Изобра­ жение модуля представлено на рис. 5.52.

Для задания основных опций расчета реактора необходимо зайти в модуль, нажать кнопку

1. В ниспадающем меню поля Reaction Туре выбрать тип расче­ та реактора: Isothermal — изотермический или Adiabatic — адиа­ батический.

2. В поле Reaction Approaching Equilibrium (достижение равно­ весия реакции) выбрать способ расчета термодинамического равно­ весия. Если выбрать Global...— то будет рассчитываться термоди­ намическое равновесие внутри набора компонентов, выбранных из базы данных Design и не отмеченных как Inert (об этом будет сказа­ но позже). Если выбрать Specific...— то необходимо будет ввести конкретные химические реакции, термодинамическое равновесие которых следует рассчитать.

Рис. 5.57. Изображение окна для ввода энтальпии и энтропии

образования

из отечественной справочной литературы, так как принятая в Рос­ сии начальная точка отсчета для расчета энтропии отличается от принятой в США (Design-II разрабатывался в США с использовани­ ем западных стандартов). Однако величина энтропии образования может быть легко рассчитана с использованием АЯ®9в и AG% из указанной выше справочной литературы и формулы

Следует обратить внимание, что для большинства компонентов AG°98 численно меньшеДЯ^в, и оба значения — отрицательные, поэтому AS гэг будет также иметь отрицательный знак.

Например, для метанола в газовой фазе: СН3ОН или СНдО

ДЯ “98 = -4 7 ,9 6 ккал/моль;

AG°98 = —38,72 ккал/моль,

тогда ASS* = (-47,96 • 1000 - (38,72 • 1000)/298) =

= -31,0067 кал/мольград.

Для задания дополнительных опций расчета реактора необхо­ димо зайти в модуль, нажать кнопку QPBU IP»—»««...| (рис. 5.58).

1. Задать диаметр и длину реактора и соответствующие едини­ цы измерения, т. е.:

-убрать признаки комментария (С-*) перед следующими стро­

ками:

DIAmeter (L units) = LENgth (L units)

-вместо «L units» задать единицы измерения «М» — метры;

-после знака «=» ввести соответствующие значения.

2. Ввести уравнения химических реакций, протекающих в реак­ торе, т. е.:

- убрать признаки комментария (С-*) перед строкой R i = (al* rl + а2* г2 + ... = bl* pi +Ь2* р2* + ...);

-заменить «i» на номер реакции: 1,2, 3 и т. д.;

-заменить «а1, а2» и т. д. и «Ы, Ь2» и т._д. на величины стехио­ метрических коэффициентов;

-заменить «г1, г2» и т. д. и «р1, р2» и т. д. на порядковые номе­ ра (ID) соответствующих компонентов в базе данных.

3.Задать тип реактора, т. е.:

-убрать признаки комментария (С-*) перед следующей стро­

кой:

TYPe =

иодной из следующих:

Например, для адиабатического реактора паровой конверсии метана длиной 5,15 м и диаметром 3,7 м с учетом конверсии моно­ оксида углерода набор команд будет следующий:

DIAmeter (М) = 3.7

LENgth (М) = 5.15

R 1 = (1*2 + 1*62 = 1*48 + 3*1)

R 2 = (1*48 + 1*62 = 1*49 + 1*1)

TYPe = ADIabatic

Для того чтобы ввести дополнительный набор исходных дан­ ных для расчета кинетики химических реакций, необходимо нажать

6. По умолчанию в Dcsign-II используются единицы измерени США, где давление измеряется в PSIA, абсолютная температура —

в R (градусы Ренкина), поэтому в процедуре на фортране необходи­ мо предусмотреть их перевод в соответствующие единицы измере­ ния.

Поскольку ввод исходных данных требует некоторых знаний по моделированию и алгоритмическим языкам, рассмотрим поря­ док ввода команд на примере модели РИВ паровой конверсии мета­ на, представленной на рис. 5.62:

Уравнения химических реакций:

1:СН4+ Н20 = СО + ЗН2;

2:СО + Н20 = С 0 2+ Н2:

Уравнения констант равновесия:

\g (K p \) = + 8,343 • lg(7) - 2,059 •1<Г:1• Т + 0,178 • 10' 6• Т 2 - 11,96;

lg(K p{) = ?2°3,24+ 5,1588-КГ5 Т + 2,5426-10'7 Т г - 7,461 -10-" - Г1 -23.

Т

Константы скоростей химических реакций:

„5 _Г-908501

Ксх = 2,06 10s -exp ■■■ ■■ Ь

1 8 ,3 1 Т /

Ксг - 3,09.

Уравнения кинетики химических реакций:

А1 Крг РсО’РпгО

Рис. 5.62. Основные уравнения математической модели реактора паровой конверсии метана

Из указанной модели, как было показано выше, уравнения хи­ мической реакции вводятся в поле Keyword Input, а остальная часть модели вводится в Inline Fortran. Текст, который необходимо ввести в поле команд при использовании опции Inline Fortran, представлен на рис. 5.63: