Совершенствование процесса формирования качества серной кислоты контактным методом на базе компьютерного моделирования стадии каталитического окисления

• Автор: Антохов, Сергей Владимирович
• Шифр специальности: 05.17.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2004
• Место защиты: Бийск
• Количество страниц: 153 с. : ил.

Содержание
Введение

1 Обзор математических моделей каталитических реакторов

1.1 Квазигомогенные модели.

1.2 Модель идеального вытеснения.

1.3 Модель идеального смешения.

1.4 Диффузионная модель

1.5 Усложненные модели для реакторов с однофазным потоком

1.5.1 Двумерная модель цилиндрических реакторов

1.5.2 Двухфазная модель реакторов с зернистым слоем

2 Объект исследования

2.1 Технологическая схема объекта исследования.
2.2 Цели и задачи исследования.
3 Разработка компьютерной модели окисления сернистого
ангидрида.
3.1 Математическая модель каталитического реактора.
3.1.1 Математическое описание процессов тепло и
массопереноса по слою катализатора
3.1.2 Эффективный коэффициент диффузии.
3.1.3 Степень использования внутренней поверхности катализатора
3.1.4 Скорость реакции.
3.1.5 Отравление катализаторов.
3.2 Численный метод решения системы дифференциальных уравнений .
3.3 Проверка адекватности модели каталитического реактора
4 Разработка компьютерной математической модели
теплообменного аппарата
4.1 Описание процесса теплопереноса.
4.2 Математическое описание поинтервального метода расчета
4.3 Проверка адекватности модели теплообмеиного аппарата.
5 Модель управления формированием качества продукта
Заключение.
Список использованных источников


Причинами рассеивания потока являются его неидеальность, проявляющаяся в радиальном изменении скорости и эффектах смешения, вызванных насадкой, молекулярная и турбулентная диффузия, теплопроводность в движущейся фазе и по слою катализатора, перенос тепла, излучение. Результирующие, дополнительные к основным, потоки вещества и тепла, описывают уравнениями, аналогичными законам Фика и Фурье. Ф и ЛЭф в слагаемых, ответственных за описание дополнительных рассеивающих механизмов переноса величины, называемые эффективными коэффициентами диффузии и теплопроводности. Квазигомогенная модель слоя в общем виде описывается уравнениями (1. Уравнения (1. Однако ввиду сложности гидродинамической картины течения в зернистом слое универсальной формы уравнения движения пока не найдено. Поэтому, как правило, скорость потока считают постоянной во всех точках реактора или же используют экспериментальные данные об ее распределении по сечению реактора, которые часто бывают противоречивы. При всех упомянутых выше упрощениях, приводящих к квазигомоген-ной модели в общем виде, последняя модель остается еще достаточно сложной для анализа и расчета. В связи с этим используют различные частные случаи квазигомогенной модели, предполагая, как правило, что физические свойства реакционного потока и параметры процессов переноса постоянны (берутся их средние значения), конвективный перенос в поперечном направлении отсутствует, и все величины симметричны относительно оси реактора. Кроме того, считают, что в реакторе протекает единственная реакция. ЬН)рвгА. Модель идеального вытеснения является простейшей моделью реактора с неподвижным слоем катализатора [8]. Свое название она получила в соответствии с описанием процессов переноса тепла и вещества по слою. Режим идеального вытеснения характеризуется пренебрежимо малой ролью диффузии и теплопроводности в продольном (параллельном движению реагирующей смеси) направлении. Соответственно, каждый “элемент потока“, проходя реактор, не взаимодействует со своими соседями, вошедшими в реактор раньше и позже него, и остается в аппарате, перемещаясь вдоль него со скоростью и, строго фиксированное время х = Ь/и, необходимое для прохождения длины реактора Ь. Л(С. Уравнения (1. При расчете процесса с неподвижным катализатором под и надо понимать фильтрационную скорость потока т. Выражения для функций г, и^в случае гетерогенного процесса должны быть составлены с учетом как кинетических, так и диффузионных факторов, поэтому для квази-гомогенной модели расчет реактора всегда должен быть предварен анализом процессов на отдельном зерне катализатора, позволяющим установить макроскопическую скорость процесса в единице объема слоя. Для зернистого слоя харакгерно практическое отсутствие смешения вещества в направлении, обратном движению потока. Поэтому реакгоры с неподвижным зернистым слоем катализатора хорошо описываются моделью идеального вытеснения. При наличии теплоотвода к стенке аппарата слабым местом модели, выраженной уравнениями (1. В случае гомогенных процессов это предположение выполняется при турбулентном режиме течения; но в гетерогенных реакторах с зернистым слоем поперечные градиенты могут быть весьма существенными. Режим идеального смешения в реакгоре может быть достигнут только путем интенсивного принудительного перемешивания реагирующей смеси с помощью мешалки или внешнего циркуляционного контура [9]. Если поток реагентов многофазный, то естественно, квазиго-могенная модель не применима. Однако, если, например, проводится газожидкостная реакция с большим избытком газофазного реагента, то процесс можно рассчитывать как для однофазного потока и описывать квазигомоген-ной моделью. Менее строго, но с приемлемой для практических расчетов степенью точности, моделью идеального смешения могут быть описаны процессы, протекающие в тонких слоях катализатора, например, на каждой полке полочного реактора. В режиме идеального смешения температуры и концентрации реагентов одинаковы по всему объему реактора; такой же состав и температуру имеет и поток, выходящий из реактора. Состав исходной смеси, которая подается в реактор, будет, конечно, другим, так что у входа в реактор идеального смешения все переменные изменяются скачкообразно. Ур=Уп(1-*).