авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Научные основы моделирования химических аппаратов с подвижными фронтами раздела кинетических зон

-- [ Страница 3 ] --

Рисунок 8 - Поверхностная концентрация продукта реакции Efr при

концентрации компонента В в глубине слоя жидкости 7 моль/м3

3. Для концентрации улавливаемого компонента АS на границе раздела фаз:

Была выделена первая стадия процесса хемосорбции с движущимся фронтом реакции, когда концентрация компонента А на границе раздела фаз быстро возрастает(рисунок 9). Затем рост концентрации улавливаемого компонента на границе раздела фаз практически прекращается, что соответствует установлению равновесной концентрации. С возрастанием параметра w от 0 до 0,05 концентрация компонента А практически не изменяется. Изменения концентрации компонента А на границе раздела фаз заметны при возрастании парциального давления улавливаемого компонента в газовой фазе pА и коэффициента диффузии улавливаемого компонента DА, при этом концентрации компонента А на границе раздела фаз уменьшаются.

На основе математической модели автоволновых процессов проведены серии численных экспериментов. Дана оценка влияния параметров процесса на распределения концентраций компонентов А, В и температуры среды по длине реактора для разных периодов времени. Численный эксперимент проведен для реакционных систем: окисление щавелевой кислоты перманганатом калия; хлорит-иодитные системы; бромат-иодитные системы; хлорит-тиосульфатные системы.

Рисунок 9 - Концентрация улавливаемого компонента АS на границе раздела фаз при коэффициенте диффузии улавливаемого компонента DA=9.710-9 м2/с, 1-w=0; 2-w=0,001;3-w=0,005;4-w=0,008; 5-w=001;6-w=0,05

Анализируя результаты численных экспериментов, можно сделать следующие выводы:

1.Оценка влияния параметров процесса на концентрацию компонента А. Проведенные исcледования показали, что наиболее сильное влияние на распределения концентраций компонента А оказывают константы скоростей реакции k10, k20 (рисунок 10) и энергий активации Е1, Е2.

 Рисунок 10-Распределение концентрации-113

Рисунок 10-Распределение концентрации компонента А по длине реактора при значениях константы k10=1,5,10

2. Оценка влияния параметров процесса на концентрацию компонента В. Проведенные иследования показали, что наиболее сильное влияние на распределения концентраций компонента В оказывают константы скоростей реакции k10, k20 (рисунок 11) и энергий активации Е1, Е2.

 Рисунок 11-Распределение концентрации-114

Рисунок 11-Распределение концентрации компонента В по длине реактора при значениях константы k10=1,5,10

3. Оценка влияния параметров процесса на температуру смеси в реакторе Т. Проведенные иследования показали, что наиболее сильное влияние на температуру смеси в реакторе Т оказывают константы скоростей реакции k10, k20 (рисунок 12) и энергий активации Е1, Е2, тепловой эффект реакции H, плотность смеси и теплоемкости смеси Cp.

 Рисунок 12- Распределения температуры-115

Рисунок 12- Распределения температуры смеси по длине реактора при значениях константы k10=1,5,10

В пятом разделе диссертации предложена методология оценки масштабного эффекта при расчете эффективности массообмена в проточных химических аппаратах. В основе этой методологии лежит стохастическая модель распределения дисперсной фазы по насадкам проточных химических аппаратов.

Установлены характерные размеры зоны растекания дисперсной фазы в объеме рабочей зоны химического аппарата. Разработанный в диссертации подход, позволяет рассчитать размеры этой зоны и определить интенсивность потоков фаз в аппарате.

При этом показано, что объем аппарата состоит из зоны стабилизации распределения фаз и установившихся зон гидродинамики и массообмена. В диссертации получены выражения для расчета интенсивности массообмена каждой из этих зон.

На основе изложенных моделей получаем расчетные соотношения для степени превращения веществ в реакторе с учетом наличия двух отмеченных зон в аппарате с различным распределением потоков фаз в зонах при разных значениях параметра массообмена .

Для :

, (42)

Для :

, (43)

где - средний коэффициент массопередачи, - полное сечение аппарата, - интенсивность потока сплошной фазы, -коэффициент ухудшения массообмена, -высота зоны стабилизации, Н- высота зоны установившегося массообмена.

Использование выведенных в диссертации формул позволяет производить пересчет данных по эффективности аппарата, полученных на лабораторных установках при расчете крупногабаритных промышленных аппаратов большой единичной мощности.

В шестом разделе работы приводится сопоставление результатов расчета с экспериментальными данными и проверка адекватности модели по реакционно-диффузионным процессам в системах с подвижным фронтом реакции, автоволновым процессам, масштабному переходу в химических реакторах.

Показано сравнение численного эксперимента проведенного нами с опытными и экспериментальными данными авторов работы Baetens D., Van Keer R., Hosten L.H., которые проводили эксперимент без учета влияния продукта реакции на процесс хемосорбции. Контрольные точки расположены ниже кривых, рассчитанных с учетом влияния продукта реакции, это объясняется тем, что при образовании продукта реакции в результате мгновенной необратимой химической реакции возрастает диффузионное сопротивление, что приводит к росту концентрации улавливаемого компонента на границе раздела фаз.

Приведены данные экспериментальных исследований автоколебательных волновых режимов в проточном реакторе по данным Maselko J, Epstein I.R. видно, что наши теоретические результаты(раздел 3) качественно верно описывают волновые динамические режимы.

Приведены результаты сопоставления результатов численного эксперимента и данных натурного эксперимента для диффузионного и кинетического режимов гидрирования этилена по данным работы автора Anderson O.L.

По моделям распределения можно сделать вывод, что, несмотря на большое разнообразие схем орошения и модификаций конструкций насадок, стохастическая модель не только правильно описывает закономерности растекания, но и позволяет в определенном диапазоне нагрузок по жидкой и газовой фазам, обеспечивающих создание активной гидродинамической обстановки, дать правильные количественные оценки.

При средней интенсивности орошения ниже средней, обеспечивающей нормальное растекание и смачивание насадки, не обнаруживается явной зависимости роста высоты единицы переноса от интенсивности орошения и эта величина определя­ется в основном начальным распределением. При средней интенсивности орошения выше средней значения высоты единицы переноса с ростом интенсивности орошения начинают быстро падать.

Сопоставление с экспериментальными данными показывает, что теория хорошо работает при средних плотностях орошения выше 0,75 м2/ч. При более низких плотностях орошения большую роль начинает играть фактор неполного смачивания.

В седьмом разделе разработана классификация процессов, для расчета которых целесообразно использование предлагаемых в диссертации подходов. Анализ нестационарной модели позволяет выделить область существования устойчивых стационарных режимов в пространстве параметров: безразмерной энергии активации и безразмерного тепловыделения. Разработана методика расчета числа стационарных режимов реактора и определения их устойчивости при неполной информации о кинетической функции многостадийной химической реакции.

1.По методике записываем кинетическое уравнение для скорости получения продукта по формуле (1).

2.С учетом автокатализа и частичной обратимости процесса превращения в реакторе представим кинетическое уравнение для скорости превращения вещества в общем виде по формуле (2).

3. Рассчитывается якобиан данной динамической системы:

. (44)

4. В соответствии с моделями раздела 2 идентифицируются стационарные состояния.

В седьмом разделе приведена также обобщенная методика расчета интенсивности массообмена в химических реакторах с быстрыми химическими реакциями на основе пленочной модели, разработанная по результатам обработки массива данных, полученных в численных экспериментах.

Последовательность расчета выглядит следующим образом:

1.Для первой стадии процесса рассчитывается период формирования подвижного фронта реакции с учетом межмолекулярного взаимодействия:

, (45)

где использованы выражения (25), (26), (29).

  1. Определяется характерное время проникновения фронта реакции:

. (46)

3.Характерная глубина проникновения, которая отождествляется с характерной толщиной:

. (47)

4. Концентрация поглощаемого компонента на границе раздел фаз:

. (48)

5.Среднее значение коэффициента массоотдачи в жидкой фазе в начальной фазе подвижного фронта реакции:

. (49)

Разработанная методика расчета рекомендована для использования в расчетах реакционно-дифузионных процессов, характеризующихся наличием фазы быстрой реакции с образованием подвижного фронта реакции (в частности, при поглощении йодистых соединений).

Разработанные в диссертации методики расчета использованы для интенсификации процесса в химическом реакторе технологической схемы получения низкобалластных и безбалластных гуматов аммония из бурого угля в Степногорском филиале ТОО «Казфосфат» «Химзавод», а также для увеличения эффективности процесса массопереноса в реакторе - дозревателе в технологической схеме полугидратного экстракционного процесса на том же предприятии.

Применение этой методики для производства гуматов позволило сократить расходы реагентов на 2.8% и уменьшить энергопотребеление, экономический эффект составил 3.47 млн. тенге.

Было определено также оптимальное время процесса в реакторе - дозревателе, при котором достигалась минимальная концентрация сульфатов кальция в растворе. По данной методике получен акт опытно-промышленных испытаний реактора - дозревателя для кристаллизации сульфата кальция, экономический эффект составил 25 млн. тенге.

заключение

Краткие выводы по результатам диссертационных исследований.

  1. В результате системного анализа выделены три основных аспекта проектирования и расчета современных высокоинтенсивных химико-технологических аппаратов: ситуация неполноты информации о кинетических характеристиках процесса; множественность и нестабильность стационарных состояний процесса, ведущая к развитию подвижных кинетических фронтальных разделов, тепловых и концентрационных автоволн; проблема масштабного перехода при расчете промышленных химических аппаратов и реакторов. Показана взаимосвязь отмеченных аспектов при расчете эффективности химического аппарата.
  2. Разработаны методы определения количества и типа стационарных режимов для динамических процессов тепло и массопереноса в химических реакторов в условиях неполноты информации о кинетике процесса для случаев каталитической реакции псевдопервого порядка и реакции второго порядка с автокаталитическими промежуточными продуктами. Описанные случаи являются характерными для многих технологий, в частности, для реакций с зажиганием процесса при введении затравки: полимеризации и др.
  3. В пространстве установленных определяющих параметров выделены области, описывающие различные типы стационарных состояний, и определены области устойчивости и неустойчивости процесса.
  4. Разработаны методы численного анализа динамики реактора в области неустойчивых стационарных состояний при развитии двух типов подвижных кинетических зон: фронтальных разделов и автоволн для случаев мгновенной реакции на межфазной границе и при обобщенной схеме n-го порядка.
  5. Установлено характерное время и скорость развития подвижного фронтального раздела, что дало возможность определить характерную глубину проникновения в пленочной модели массопереноса с учетом неидеальности системы, при наличии заметного межмолекулярного взаимодействия между реагентами и перекрестных диффузионных потоков.
  6. Дана оценка влияния параметров процесса на скорость перемещения фронта реакции, концентрацию продукта реакции, межфазную концентрацию улавливаемого компонента. Выведена система безразмерных определяющих зависимостей для расчета глубины проникновения и показателей интенсивности процессов массообмена.
  7. Разработана математическая модель автоволнового процесса с учетом тепло- и массопереноса в неизотермических проточных аппаратах в условиях сильной зависимости кинетических констант от температуры и неидеальности системы с учетом зависимости коэффициентов диффузии от концентраций реагентов. Дана оценка характерного размера циркуляционной ячейки в диффузионной модели реактора и минимальной длины реактора при формировании концентрационных и температурных циркуляционных структур в аппарате в окрестности нестабильных стационарных состояний.
  8. Разработана инженерная методика расчета процесса хемосорбции с учетом влияния неидеальности системы и развития концентрационных автоволн.
  9. Дана оценка эффективности тепло - и массообмена в неизотермических химических реакторах с учетом неидеальности системы и масштабного фактора.

Оценка полноты решения поставленных задач. На основе комплекса проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены результаты, которые обеспечивают создание научных основ расчета и моделирования реакционно-диффузионных процессов в химических реакторах с учетом неидеальности системы в условиях ограниченной и неполной информации о кинетических функциях и константах многостадийного процесса. Можно сделать вывод, что поставленные в работе задачи полностью решены, цель работы достигнута.

Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Результаты и выводы работы рекомендуется использовать в научно-исследовательских и проектных организациях при разработке и проектировании очистных и теплообменных аппаратов различной, в том числе и большой, единичной мощности; химических аппаратов различного назначения, в первую очередь – химических реакторов для инновационных технологий. Исходными данными для использования результатов диссертационной работы являются физико-химические характеристики веществ, которые участвуют в процессе, задания по производительности и другим необходимым эксплуатационным параметрам аппаратов.

Оценка технико-экономической эффективности внедрения. Разработанные в диссертации методики расчета использованы для интенсификации процесса в химическом реакторе технологической схемы производства гумата аммония в Степногорском филиале ТОО «Казфосфат» «Химзавод». Результаты внедрения позволили сократить расходы реагентов, улучшить качество продукта и уменьшить электропотребление. Экономический эффект составил 3.47 млн. тенге.

В результате испытаний барботажного реактора-дозревателя на установке получения экстракционной фосфорной кислоты с цилиндрическими экстракторами непрерывного действия в Степногорском филиале ТОО «Казфосфат» «Химзавод» был получен следующий результат: оптимальное время пребывания пульпы в реакторе, при котором достигалась минимальная концентрация сульфата кальция в растворе составляла 95 минут. Экономический эффект составил 25 млн. тенге.

Оценка научного уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области.

На основании проведенных теоретических исследований и численного эксперимента предложены методы расчета, которые могут обеспечить научно обоснованное проектирование химических аппаратов на основании данных лабораторных исследований с надежной оценкой масштабного эффекта, а также конверсии и определением стабильных стационарных режимов. Тем самым обеспечивается работоспособность и определяются условия надежной и безопасной эксплуатации аппаратов. Полученные результаты вполне конкурентоспособны по сравнению с лучшими образцами в данной области, что подтверждается анализом обширного литературного материала и сопоставлением с экспериментальными данными.

Условные обозначения: - коэффициент диффузии компонента в реальной системе; - коэффициент диффузии для идеальной системы; ,, - энергии взаимодействия соответственно между молекулами реагентов A и X, A и A, X и X; - параметр, зависящий от модели жидкого состояния, Х- в данном случае жидкая среда, А- диффундирующий компонент; j, – шаг по времени T; i-шаг по координате Х; a,b - параметры сетки; , - концентрации компонентов А и В соответственно, -концентрация реагента А на входе в реактор; CB, - концентрация компонента В в ядре жидкой фазы, моль/м3; CAS, AS -концентрация компонента А на межфазной границе, моль/м3; CES - концентрация продукта реакции Е на межфазной границе, моль/м3; DAA, DBB, DEE – главные коэффициенты диффузии для компонентов А, В, Е, м2/с; DAE, DEA, DBE, DEB – перекрестные коэффициенты диффузии.

Список опубликованных работ по теме диссертации



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.