книги / Химические реакторы

ных условиях (Vsum, нм3/с), а расчет реактора для расхода реакционной смеси при реальных условиях с учетом давления и температуры (Vmix, м3/с).

При реализации алгоритма, в связи с тем, что будем работать с «понятными» идентификаторами, а результаты передавать в массив для вывода, инициализируем нулевые значения «рабочих» массивов и вносим их в выходной массив с идентификатором V.

Перед началом расчетов производим инициализацию соответствующих массивов и задаем начальные значения массивов, соответствующие входу в реактор (рис. 2).

Предварительный анализ процесса можно будет провести c помощью графиков (рис. 3).

Например, по графикам видно, что при текущих параметрах процесса можно достичь степень превращения по углеводороду чуть больше 80 %. Более детальную информацию можно будет взять из таблицы результатов расчетов, фрагмент которой представлен ниже (рис. 4).

Тут задаются начальные значения массивов, которые будут использоваться в расчетах.

Следует обратить внимание на массивы:

TMIX – текущая температура смеси в реакторе, гр.К L – длина реактора, соответствующая текущему времени пребывания в ходе интегрирования

W – линейная скорость смеси в реакторе при ре-

альных условиях с учетом давления и температуры (м/сек), соответствующая текущему времени пребывания или длине L в ходе интегрирования

Рис. 2 (продолжение рисунка на с. 52–53)

51

Началоциклаинтегрирования

Расчет кинетики процесса

Расчет dXa, соответствующий шагу интегриро-

вания dτ

Аварийная блокировка достижения (математически) степени превращения больше или равной 1

Расчеты материального баланса

Расчет dQ хим.реакции, выделяющейся при превращении dV ключевого компонента

Расчет теплоемкостей веществ смеси

Расчет Ср смеси по правилу аддитивности

Расчет изменения температуры (dT) на шаге интегрирования, текущей температуры смеси и реального объема смеси в реакторе

Рис. 2. Продолжение

52

Расчет линейной скорости смеси в сечении реактора

Расчет длины прохождения реакционной смесью длины реактора (dL) за время dτ а

также длины реактора, соответствующей текущему времени пребывания в ходе интегрирования

Расчет текущих концентраций веществ

Формирование выходного массива V

Окончание процесса интегрирования при достижении длины реактора

Рис. 2. Окончание

53

Рис. 3

Рис. 4

Так, в соответствии с результатами расчетов, максимальная степень превращения в реакторе составляет 83,884 % при времени пребывания 0,01411 с на 3269 шаге интегрирования. Температура газовойсмеси на выходеиз реакторасоставила1289,19 °С.

Далее на первом этапе выполнения работы необходимо будет провести исследование процесса методом вычислительного эксперимента посредством разделения интервала изменения исследуемого параметра (температуры, давления, коэффициента избытка воздуха и т.д.) как минимум на 4 отрезка (5 точек) при остальных параметрах равных базовым значениям и по результатам расчетов построить таблицы, графики, и сделать выводы с физико-химическим обоснованием зависимостей и выводами об оптимальных параметрах. В дополнительным выводе следует

54

указать совокупность параметров, которые с точки зрения студента являются оптимальными и почему.

Пример анализа результатов вычислительного эксперимента

В качестве примера рассмотрим анализ результатов вычислительного эксперимента при варьировании коэффициента избытка воздуха (α) (таблица).

В ходе вычислительного эксперимента изменяли коэффициент избытка воздуха (α), подаваемого на сжигание в пределах ± 20 % (не меньше 1,01) от заданного по варианту. При этом изменяемым параметром (аргументом) был коэффициент избытка воздуха, а целевыми показателями (функцией): степень превращения ключевого компонента в реакторе (доли), температура на выходе из реактора (°С), время пребывания реакционной смеси (с), концентрация углеводорода и кислорода на выходе реактора (%об). Результаты расчетов представлены в таблице и на рис. 5.

Как видно на графиках, с увеличением коэффициента избытка воздуха, т.е. избыточно поданного в реактор исходного (холодного) воздуха:

• увеличивается степень превращения углеводорода в реакторе;

55

•снижается температура реакционной смеси;

•времяпребываниясначала снижается, а затемувеличивается;

•снижается концентрация углеводорода на выходе и увеличивается концентрация кислорода;

•увеличивается скорость химической реакции на выходе из реактора.

Рис. 5

Как известно, основными параметрами, влияющими на степень превращения ключевого компонента, является скорость химической реакции и время пребывания в реакторе заданного объема. В свою очередь, время пребывания будет за-

56

висеть от расхода реакционной смеси на входе и температуры в реакторе, так как с увеличением температуры объем газовой смеси увеличивается, и чем выше расход, тем меньше будет время пребывания.

Как видно на графике (рис. 4), с увеличением коэффициента избытка воздуха время пребывания сначала снижается, а затем увеличивается, что, вероятно, связано с конкурентным воздействием на данный параметр коэффициента избытка воздуха и температуры, так как увеличение избытка воздуха будет увеличивать расход и снижать время пребывания, с снижение температуры – увеличивать время пребывания за счет меньшего объемного расширения газа. Необходимо отметить, что согласно расчетам при увеличении коэффициента избытка воздуха с 1,01 до 1,44, что соответствует увеличению расхода воздуха на входе в реактор на 43 %, время пребывания в реакторе (реакция без изменения объема) увеличилось с 0,01273 с до 0,01309 с, т.е. на 2,8 % (относительных). Таким образом, такое незначительное изменение времени пребывания не могло бы увеличить степень превращения по ключевому компоненту с 0,8403 до 0,9019, т.е. на 7,3 % (относительных). Таким образом, вероятнее всего, основное влияние на степень превращения оказывает скорость процесса, которая с увеличением коэффициента избытка воздуха также будет увеличиваться. При этом необходимо отметить, что с увеличением коэффициента избытка воздуха температура реакционной смеси будет снижаться, т.е. константа скорости также будет снижаться. Кроме того, избыточно подаваемый воздух будет разбавлять реакционную смесь, что приведет к снижению концентрации углеводорода и негативно скажется на скорости химической реакции, однако при этом увеличится концентрация кислорода, что положительно скажется на скорости реакции.

Таким образом, на основании анализа результатов вычислительного эксперимента можно сделать вывод, что для исходных

57

данных в соответствии с вариантом задания с увеличением коэффициента избытка воздуха степень превращения ключевого компонента будет увеличиваться в связи с возрастанием скорости процесса. При этом основным фактором увеличения скорости является концентрация кислорода, связанная с его парциальным

давлением, входящим в кинетическое уравнение (PO 2 ).

58

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Воронцов К.Б. Химические реакторы: учебное пособие. –

М.: Эдитус, 2017. – 80 с.

2.Левеншпиль О. Инженерное оформление химических процессов: пер. с англ. – М.: Химия, 1969. – 238 с.

3.Ляпков А.А., Иванов Г.Н., Бочкарев В.В. Расчеты реакционной аппаратуры химических производств: учеб. пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2002. – 122 с.

4.Попов Ю.В., Корчагина Т.К., Панчехин В.А. Химические реакторы (теория химических процессов и расчет реакторов): учеб. пособие. – Волгоград: ВолгГТУ, 2013. – 240 с.

59

Учебное издание

Саулин Дмитрий Владимирович, Пепеляев Сергей Николаевич

ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Методические рекомендации

Редактор и корректор М.Н. Афанасьева

Подписано в печать 02.11.2022. Формат 60×90/16. Усл. печ. л. 3,75. Тираж 33 экз. Заказ № 187/2022.

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета.

Адрес: 614990, г. Пермь, Комсомольский пр., 29, к. 113.

Тел.: + 7 (342) 219-80-33.

60