книги / Design-II for Windows. ╨Ю╨┐╨╕╤Б╨░╨╜╨╕╨╡ ╨╝╨╛╨┤╤Г╨╗╨╡╨╣ ╨╛╨▒╨╛╤А╤Г╨┤╨╛╨▓╨░╨╜╨╕╤П

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

–паровая конверсия – Steam Reformer,

–паровоздушная конверсия – Secondary Reformer,

–паровая конверсия монооксида углерода – CO Shift Reaction,

–метанирование – Methanation Reaction,

–синтез аммиака – Ammonia Synthesis Reaction,

–синтез метанола – Methanol Synthesis Reaction.

Суть моделирования указанных процессов заключается в расчете термодинамического равновесия для состава входящего потока при заданных ограничениях по расчету теплового баланса.

(!!!) При использовании указанных процессов нет необходимости вводить дополнительно теплóты образования веществ, ID которых больше 99.

При выборе того или иного специфичного процесса возникают характерные для этого процесса ограничения по составу, несоблю-

дение которых приведет к ошибкам расчетов, идентифицировать которые будет весьма сложно.

Паровой риформинг:

СmНn(газ) + H2O(газ) = CO(газ) + 3H2(газ), CH4(газ) + H2O(газ) = CO(газ) + 3H2(газ), CO(газ) + H2O(газ) = CO2(газ) + H2(газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: СН4, CO, H2O, CO2, и H2. Если в потоках присутствуют углеводороды (СmНn) и О2, то на выходе из реактора их концентрации будут равны нулю.

Вторичный риформинг:

CH4(газ) + H2O(газ) = CO(газ) + 3H2(газ), CO(газ) + H2O(газ) = CO2(газ) + H2(газ), H2(газ) + 0,5O2(газ) = H2O(газ).

71

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: СН4, CO, H2O, CO2, О2 и H2. Углеводороды, отличные от СН4, считаются инертами. Если О2 присутствует на входе в реактор, то на выходе из реактора его концентрация будет равна нулю.

Конверсия СО:

CO(газ) + H2O(газ) = CO2(газ) + H2(газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: CO, H2O, CO2 и H2. Углеводороды считаются инертами. Концентрация О2 во входящих потоках должна быть равна нулю.

Метанирование:

CO2(газ) + H2(газ) = CO(газ) + H2O(газ),

CO(газ) + 3H2(газ) = CH4(газ) + H2O(газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: CO, H2O, CO2, СН4 и H2. Углеводороды, отличные от СН4, считаются инертами. Концентрация О2 во входящих потоках должна быть равна нулю.

Синтез метанола:

CO2(газ) + H2(газ) = CO(газ) + H2O(газ),

CO(газ) + 2H2(газ) = CH3OH(газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: CO, H2O, CO2, CH3OH и H2. Все остальные компоненты, включая O2, считаются инертами.

Синтез аммиака:

N2(газ) + 3H2(газ) = 2NH3(газ).

Все потоки должны быть газовые. Из базы данных по веществам должны быть выбраны вещества: N2, H2 и NH3. Все остальные компоненты, включая O2, считаются инертами.

72

В соответствии с рис. 5.45 ограничения по расчету теплового баланса задаются с помощью ниспадающего меню в поле Heat Transfer:

–Temperature Out – температура на выходе реактора. Необходимо ввести температуру на выходе реактора. Данный режим в основном используется при проведении расчетов для термодинамического анализа в курсовых и дипломных работах.

–Adiabatic Reactor – адиабатический реактор. Будет проведен расчет теплового баланса для адиабатических условий. Данный режим используется для расчетов ХТС с химическим реактором.

–Isothermal Reactor – изотермический реактор. Температура на выходе реактора равна температуре на входе, а при наличии нескольких входящих потоков – равна температуре после их смешения. Данный режим в основном используется при проведении расчетов для термодинамического анализа в курсовых и дипломных работах.

–Reactor Duty – адиабатический реактор с дополнительной тепловой нагрузкой. Необходимо ввести величину дополнительной тепловой нагрузки в соответствующих единицах измерения, которая будет учтена при расчете теплового баланса. При отводе тепла из реактора вводится отрицательное число, а при подводе – положительное. Данный режимиспользуетсядлярасчетовХТСс химическим реактором.

(!!!) При составлении учебных заданий не требуется ввод какихлибо дополнительных данных в окне, открывающемся при нажатии кнопки Specific Reaction Details, т.е. во всех активных полях данного окна значения должны быть равны нулю.

5.12. Равновесный реактор (Equilibrium Reactor)

73

Если на вход модуля подключено несколько потоков (до трех), то автоматически реализуется функция смесителя и давление всех входных потоков приравнивается минимальному входному давлению с расчетом адиабатического расширения потоков с большим давлением. На выходе из реактора может быть только один поток. Данный модуль имеет достаточно большие возможности, однако ниже будут рассмотрены только функции, необходимые для выполнения лабораторных работ, а также курсовых и дипломных проектов.

Вид закладки General Data модуля представлен на рис. 5.49.

Рис. 5.49. Изображение закладки General Data

Для ввода необходимого набора исходных данных в этом окне необходимо в ниспадающем меню поля Reaction Type выбрать тип расчета реактора: Isothermal – изотермический или Adiabatic – адиабатический.

Если вещества, используемые в химической реакции, имеют порядковый номер по базе данных (ID) больше 99, то расчет термодинамического равновесия будет проведен неверно, так как для этих компонентов в базе данных Design-II отсутствуют значения стан-

74

дартной энтальпии и энтропии образования. Для ввода энтальпий и энтропий образования следует нажать кнопку Component Heat of Reaction Properties. Ввод данных по энтальпии образования в этом поле был описан выше для модуля Reactor (стехиометрический реактор).

Значения энтальпий образования для веществ можно взять из справочной литературы2. Следует отметить, что в отличие от энтальпий образования значения энтропий образования нельзя брать из отечественной справочной литературы, так как принятая в России начальная точка отсчета для расчета энтропии отличается от принятой в США (Design-II разрабатывался в США с использованием западных стандартов). Однако на основании справочных данных требуемая величина энтропии образования может быть легко рассчита-

на с использованием H2980 и G2980 из указанной выше справочной литературы по формуле

Следует обратить внимание, что для большинства компонентовG2980 численно меньше H2980 и оба значения – отрицательные, по-

этому S2980 будет также иметь отрицательный знак. Например, для метанола в газовой фазе (CH3OH или CH4O)

H2980 = – 47,96 ккал/моль,

G2980 = – 38,72 ккал/моль,

тогда S2980 = (–47,96·1000 – (–38,72·1000))/298 = –31,0067 кал/моль·град.

Далее справочная величина энтальпии образования и расчетная величина энтропии образования вводятся в соответствующие поля

(см. рис. 5.47).

2 Карапетьянц М.Х., Карапетьянц М.Л. Основные термодинамические константы неорганических и органических веществ.

75

Для задания дополнительных опций расчета необходимо зайти на закладку Optional Specifications (рис. 5.50).

Рис. 5.50. Изображение закладки Optional Specifications

Поскольку вещества выбираются из базы данных Design-II один раз, то в случае создания ХТС, где химические реакции происходят

вряде последовательных реакторов (например, в производстве аммиака последовательно осуществляются паровая конверсия, паровоздушная конверсия и конверсия СО), появляется необходимость, чтобы определенные вещества не участвовали в расчете термодинамического равновесия в одном реакторе, но участвовали в расчете термодинамического равновесия в другом реакторе. В этом случае

вполе выбора реагентов с помощью мыши выбирается требуемый компонент и далее также с помощью мыши меняется его свойство на Inert. После такого изменения свойства компонента он будет считаться инертом и не будет участвовать при расчете термодинамического равновесия.

Вкачестве примера на рис. 5.51 показан ввод данных для селективной паровой конверсии монооксида углерода на безметанольном (ингибированном по синтезу метанола) катализаторе. Для установки метанолу свойств инерта необходимо сначала кликнуть указателем мыши по полю Methanol, а затем на полю Inert.

76

этом следует учесть, что «внутренней» системой измерений в Design-II является американская (фут–фунт–ренкин), поэтому кинетические уравнения должны иметь коэффициенты, скорректированные на данную систему измерений. По этим причинам порядок работы с данным полем рассматриваться не будет. В случае необходимости можно будет разобраться с помощью Help и примеров пользования тем или иным модулем, идущих в комплекте поставки программы.

Рис. 5.53. Изображение закладки General Data

Следует отметить, что реальные кинетические уравнения бывают весьма сложны, поэтому данный модуль кроме оконного интерфейса для ввода исходных данных требует ввода макрокоманд и процедуры на алгоритмическом языке фортран. Ввод макрокоманд производится в окне после перехода на закладку Keyword Input (ввод ключевых слов), а процедура на алгоритмическом языке фортран вводится в окне, появляющемся после переходана закладку Inline Fortran.

Другой важной закладкой модуля является закладка Main Specification. Вид закладки Main Specification модуля представлен на рис. 5.54.

Как видно на рисунке, на поле закладки имеется возможность только отметить режим расчета теплового баланса реактора:

–Isothermal – изотермический режим,

–Adiabatic – адиабатический режим с возможностью подвода или отвода заданного количества тепла,

78

–Temperature Profile – задается температурный профиль по длине реактора,

–Cocurrent Coolant – позволяет рассчитать теплоотвод от реактора охлаждающему потоку (прямоток) при заданном коэффициенте теплопередачи.

Рис. 5.54. Изображение закладки Main Specifications

Если кинетика процесса сложна и/или нет возможности или целесообразности использовать раздел формальной кинетики, кинетические зависимости вводятся в модуль с помощью ключевых слов и программы на алгоритмическом языке фортран. Правила написания и ввода ключевых слов и процедуры на фортран требуют выполнения некоторых формальностей, поэтому рассмотрим порядок ввода исходных данных более детально. При этом необходимо отметить, что приведенный ниже порядок операций является лишь одним из вариантов ввода исходных данных, который рекомендуется при выполнении учебных заданий. Более подробную информацию можно найти на сайте компании WinSim Inc.3 или вHelp программы.

В качестве примера рассмотрим процесс паровой конверсии метана, описываемый следующими уравнениями реакций:

3 www.winsim.com.

79

CH4 + H2O = CO + 3H2 – реакция 1;

CO + H2O = CO2 + H2 – реакция 2.

Для того чтобы ввести требуемые макрокоманды, необходимо перейти на появляющееся после нажатия кнопки Keyword Input пустое поле иввеститребуемые ключевые слова и выражения (рис. 5.55).

R1 – реакция 1

R2 – реакция 2

Рис. 5.55. Изображение окна Keyword Input

Для данного модуля в поле Keyword Input вводятся уравнения химических реакций, которые формируются следующим образом:

R i = (a1* r1 + a2* r2 + ... = b1* p1 + b2* p2* + ...),

где i – на номер реакции (1, 2, 3 и т.д.); a1, a2 и т.д. – величины стехиометрических коэффициентов реагентов в реакции; b1, b2 и т.д. – величины стехиометрических коэффициентов продуктов в реакции; r1, r2 и т.д. и p1, p2 и т.д. – порядковые номера (ID) соответствующих ком-

понентов вбазе данных (H2 – 1, CH4 – 2, H2O – 62, CO – 48, CO2 – 49).

Пример формирования и ввода уравнений химических реакций для процесса паровой конверсии метана представлен на рис. 5.55.

Для того чтобы ввести процедуру расчета кинетики на алгоритмическом языке фортран, необходимо перейти на закладку Inline Fortran, вид полей которой представлен на рис. 5.56.

В связи с тем, что в поле команд необходимо будет набрать процедуру расчета скоростей химических реакций в командах алгоритмического языка фортран, необходимо отметить некоторые ограничения и условности языка фортран:

80