книги / Моделирование химико-технологических систем с использованием программного обеспечения Design-II for Windows

Уравнения кинетики химических реакций:

При написании программы расчета кинетики реакций

вполе Inline Fortran модуля Plug Flow Reactor следует учесть:

1.Ключевые слова Design-II: ТЕМ – температура в градусах

моль/фут3,

RATEi – скорость хим. реак-

ции «i».

2.Перевод из градусов Ренкина в градусы Кельвина: Т(гр.К) =

=ТЕМ/1,8.

3.Перевод давления из psia в кг/см2: Р (кг/см2) = PRE/14,2236.

4.Перевод концентраций из единиц измерения США в объемные доли по следующему алгоритму (например, смесь содержит ме-

тан – ID2, водород – ID1 и воду – ID62):

SUM = CONC2 + CONC1 + CONC62 <= суммируются все концентрации,

СН2 = CONC1/SUM <= объемная доля водорода, CCH4 = CONC2/SUM <= объемная доля метана, CH2O = CONC62/SUM <= объемная доля воды.

Здесь SUM, CH2, CCH4 и CH2O – переменные типа REAL (длиной не более 6 символов)

5.Пример написания скорости химической реакции паровой конверсии СО:

RATE2=AKC2*PCO*(1.0-1.0/AKP2*PCO2*PH2/(PCO*PH2O)),

21

где АКС2 – переменная константы скорости второй реакции (тип

REAL),

АКP2 – переменная константы равновесия второй реакции

(тип REAL),

PCO, PCO2, PH2 и PH2O – переменные парциальных давлений соответствующих веществ (тип REAL).

Примечание:

1.На языке FORTRAN принято, что цифра «0» (ноль) отличается от заглавной буквы «О» тем, что цифра «0» изображается перечеркнутой.

2.В конспекте лекций [2] на рис. 5.63 (с. 77) имеются «опечатки», требующие исправления.

Этапы выполнения работы

1.Разобраться с технологической схемой, ее описанием, заданными ограничениями, допущениями и исходными данными.

2.Освежить знания по теории технологических процессов

производства аммиака, расчетам в технологических процессах, а также моделирования ХТП (моделирование реакторов с учетом кинетики).

3.Освежить знания по особенностям функционирования используемых в работе модулей из программного обеспечения Design-II for Windows, а особенно – модуля Plug Flow Reactor [2, с. 72–77].

4.В среде Design-II for Windows создать указанное задание

идобиться корректных расчетов (SOLUTION HAS BEEN RICHED

идостижение параметров потока 10 близких к контрольным) и показать их преподавателю.

5.Выполнить соответствующее индивидуальное задание.

Варианты заданий

1. Определить влияние соотношения пар/газ на первичном риформинге (от 3,0 до 3,7) на процесс и дать рекомендации по ведению процесса при поддержании в выходном потоке мольного соот-

ношения (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02 (т.е. при постоянном расходе потока природного газа изменяять расход пара в пределах указанного соотношения с коррекцией расхода воздуха и при этом определять,

22

как это будет влиять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

2.Определить влияние давления для реактора первичного риформинга и каталитического конвертора (от 15 до 40 кг/см2) и дать рекомендации по ведению процесса (т.е. при постоянных расходах изменять давление в системе, по необходимости с коррекцией рас-

хода воздуха в пределах (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02, и при этом определять, как это будет влиять на общую степень превращения CH4

ина распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

3.Определить влияние количества подаваемого воздуха (из-

менение соотношения (H2+CO)/N2 от 2,8 до 3,1) и дать рекоменда-

ции по ведению процесса (т.е. изменять расход воздуха в пределах указанного соотношения и при этом определять, как это будет

влиять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

4.Определить влияние объема катализатора (высоты слоя катализатора в сторону уменьшения до 25 %) и дать рекомендации по необходимой высоте слоя катализатора с учетом необходимого запаса для возможного увеличения нагрузки по сырью в 1,5 и 2 раза

(т.е. при постоянных расходах потоков уменьшать высоту слоя катализатора в каталитическом реакторе в указанных пределах, по необходимости с коррекцией расхода воздуха в пределах

(CO+H2)/N2 = 3,0±0,02, и при этом определять, как это будет влиять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

5.Определить влияние температуры после парового риформинга (от 790 до 900 °С) и дать рекомендации по ведению процесса

(т.е. изменять температуру на выходе реактора R-3 в указанных пределах, по необходимости с коррекцией расхода воздуха в преде-

лах (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02, и при этом определять, как это будет влиять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

23

6. Определить эффект обогащения воздуха кислородом (до 26 об.% О2) и дать рекомендации по целесообразности обогаще-

ния воздуха кислородом (т.е. изменять концентрацию кислорода в подаваемом воздухе в указанных пределах с коррекцией расхода воздуха в пределах (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02 и при этом определять, как это будет влиять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

7.Определить эффект снижения общей активности катализатора на вторичном риформинге (снижение константы скорости реакции паровой конверсии метана в 2…5 раз) и дать рекомендации по размеру слоя катализатора (т.е. при постоянных расходах потоков изменять константу скорости реакции взаимодействия метана

сводяным паром в указанных пределах и при этом определять, как

будет изменяться степень превращения CH4 на вторичном риформинге по высоте слоя катализатора, а также распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

8.Определить влияние добавки этана в природный газ (до 10 об.%) и дать рекомендации по целесообразности добавки этана

(т.е. при постоянном расходе природного газа заменить часть метана на этан в указанных пределах с коррекцией расходом пара мольного соотношения H2O/C = 3,4±0,02 и, по необходимости, с

коррекцией расхода воздуха в пределах (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02 и при этом определять, как это будет влиять на общую степень превращения углеводородов и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга с учетом, что одна моль этана распадается на две моли метана);

9. Определить влияние количества дополнительного пара (до 25 т/ч) и дать рекомендации по ведению процесса (т.е. при по-

стоянном расходе потока природного газа изменять расход дополнительного пара на вторичный риформинг в указанных пределах, по необходимоти с коррекцией расхода воздуха в пределах (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02, и при этом определять, как это будет вли-

24

ять на общую степень превращения CH4 и на распределение нагрузки между реакторами первичного и вторичного риформинга);

10. Общая оптимизация с целью снижения расходных норм (оценка влияния различных параметров с определением наиболее существенных) и выдача рекомендаций по ведению процесса

(т.е. изменяя температуру, давление и соотношение реагентов, определить наиболее существенные факторы на ход процесса, по необходимости с коррекцией мольного соотношения H2O/C = 3,4±0,02

и (CO+H2)/N2 = 3,0±0,02).

При изменении в ходе расчетов соотношения H2+CO/N2 необходимо производить его коррекцию другими параметрами (за исключением варианта 3), изменение которых необходимо обосновать при составлении отчета. При составлении отчета необходимо рассмотреть изменение расходных норм на 1 м3 конгаза, т.е. смеси H2,

CO и N2.

ВНИМАНИЕ. Распределение нагрузки на реакторы считать, исходя из величины мольного потока углеводородов, превратившихся в продукты на первичном и вторичном риформингах. Например, если на первичном риформинге израсходовалось 1500 кмоль/ч метана, а на вторичном – 500 кмоль/ч метана, тогда нагрузка на первичный риформинг будет 75 %, а на вторичный – 25 %.

Примечания:

–графики должны строиться по 4 и большему количеству точек, а сами зависимости должны иметь гладкий вид;

–для просмотра, как изменяются характеристики потока по высоте слоя катализатора, необходимо после проведения расчета нажать кнопку View Results на закладке General Data модуля реактора;

–при составлении отчета необходимо объяснить полученные зависимости с точки зрения теории технологических процессов,

ане просто ограничиться изображением полученных зависимостей;

–при формулировке выводов учитывать, что первичный риформинг считается с учетом только равновесия, а второй – с учетом кинетики и равновесия.

25

ЗАДАНИЕ № 4

Цели работы

1.Получение навыков синтеза ХТС разделения многокомпонентных жидких смесей на отдельные компоненты с использованием эвристического метода;

2.Получение навыков моделирования ХТС с учетом парожидкостного равновесия в среде Design-II for Windows и технологического расчета колонных аппаратов;

3.Получение навыков анализа и оптимизации ХТС с учетом парожидкостного равновесия.

В ходе выполнения работы необходимо предложить оптимальную технологическую схему разделения смеси на чистые компоненты, т.е. с содержанием основного компонента потока не менее 99,5 мас.%, с учетом следующих требований:

–при разработке систем разделения использовать эвристический принцип синтеза ХТС;

–размер оборудования и затрат на его изготовление должны быть минимальными (прим.: стоимость оборудования связана как с его размерами, так и с давлением и температурой внутри аппарата, т.е. для минимальной цены аппарат должен быть небольшой, а давление и температура внутри него должны быть близки к окружающей среде);

–минимальными должны быть затраты энергии на подогрев кубов колонн ректификации и на конденсацию пара в дефлегматорах, а также на дополнительный подогрев или охлаждение технологических потоков;

–для моделирования ХТС с колонными аппаратами следует использовать упрощенный модуль расчета колонн ректификации

Shortcut Fractionator с Р (куб-дефлегматор) каждой колонны не менее 2 кг/см2. В случае необходимости использовать смесители, делители, теплообменники, насосы и т.д.;

– при расчетах зависимости давления пара над жидкостью

(Equilibrium K-values) в разделе Basic Thermo… следует использо-

26

вать модель Peng-Robinson, а в случае необходимости – Vapor Pressure или Ideal.

Эвристические правила синтеза систем ректификации

При разработке схем разделения смеси при выполнении лабораторной работы № 4 рекомендуется использовать следующие эвристические правила синтеза систем ректификации (Комиссаров Ю.А.,

Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: учебное пособие для вузов: в 2 т. Т. 2. / под ред. Л.А. Серафимова. –

М.: Химия, 2004. 416 с.), позволяющие значительно упростить сам процесс синтеза ХТС разделения смести и значительно сократить затрачиваемое на разработку ХТС время:

1. При ректификационном методе разделения, и особенно для азеотропных смесей, предпочтение отдается «прямой» последовательности разделения (компоненты выделяются один за другим в отдельных колоннах, начиная с компонента, обладающего наибольшей летучестью, т.е. имеющего наименьшую температуру кипения);

2.Выбирается вариант схемы, в котором разделение осуществляется в порядке уменьшения различий в значениях относительных летучестей разделяемых ключевых компонентов;

3.Компонент, содержание которого существенно превышает содержание всех остальных компонентов исходной смеси, должен отбираться первым в общей последовательности выделения компонентов или фракций компонентов;

4.Процесс разделения наиболее трудноразделимой пары компонентов или наиболее трудноразделимых фракций должен проводиться последним в общей последовательности разделения;

5.Выбирается вариант схемы, в котором отношение количеств верхнего и нижнего продуктов в каждой колонне близко к единице;

6.Наиболее «агрессивный» по воздействию на аппаратуру компонент должен выводиться из системы разделения в первую очередь;

7.Разделяющий агент необходимо выделять непосредственно после аппарата, в который он вводился.

27

Необходимо отметить, что данные эвристики являются не безусловными правилами, а рекомендациями, применение которых зависит от конкретного компонентного состава смеси.

Этапы выполнения работы:

1.Освежить свои знания по ПАХТ, а также по соответствующим разделам в конспекте лекций по курсу Моделирование ХТС;

2.Разработать и рассчитать не менее трех вариантов систем разделения многокомпонентных смесей в соответствии с индивидуальным заданием;

3.При написании отчета обосновать выбор каждой из предложенных схем (ее реальность), а в выводах сравнить каждую схему разделения с другими вариантами. Результаты расчетов и обоснованность того или иного варианта иллюстрировать графиками, таблицами, схемами и т.д.

Индивидуальные задания

Окончание таблицы

Примечания

Особенность работы модуля Shortcut Fractionator такова, что при некоторых расчетах может получиться ОТРИЦАТЕЛЬНОЕ количество тарелок в колонне. В этом случае необходимо:

1.Проверить правильность исходных данных – может быль задано выделение легкого компонента из куба колонны.

2.Изменить набор уравнений для расчета термодинамических свойств веществ. Для этого необходимо зайти в Basic Thermo и:

а) сменить Equilibrium K-value на Vapour Pressure, или, в край-

нем случае, – на Ideal;

б) если а) не поможет, то изменить Vapor/Liquid Enthalpy на

Latent Heat, или, в крайнем случае, – на Ideal;

в) если и б) не поможет, то изменить методы расчета Vapor Density и Liquid Density на Pend Robinson, или, в крайнем случае, – на Ideal.

При составлении отчета необходимо объяснить обоснованность всех разработанных вариантов с точки зрения теории, а не просто ограничиться описанием разработанных ХТС.

29

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Саулин Д.В. Математическое моделирование химико-техно- логических систем: конспект лекций / Перм. гос. гехн. ун-т. – Пермь, 2005. – 72 с.

2.Саулин Д.В. Design-II для Windows. Описание модулей оборудования и примеры их использования: конспект лекций. – Пермь: Изд-во Перм. гос. гехн. ун-та, 2009. – 107 с

3.Комиссаров Ю.А., Гордеев Л.С., Вент Д.П. Научные основы процессов ректификации: учеб. пособие для вузов: в 2 т. Т. 2. / под ред. Л.А. Серафимова. – М.: Химия, 2004. – 416 с.

30