автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.12, диссертация на тему:Проектирование химических реакторов с диффузионной моделью структуры потоков

На правах рукописи

005534509

АРИСТОВА ЮЛИЯ ВАЛЕРЬЕВНА

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ С ДИФФУЗИОННОЙ МОДЕЛЬЮ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

10 ОКТ 2013

Волгоград 2013

005534509

Работа выполнена на кафедре «Процессы и аппараты химических производств» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Голованчиков Александр Борисович.

Официальные оппоненты:

Литовка Юрий Владимирович

доктор технических наук, Тамбовский государственный технический университет, кафедра «Системы автоматизированного проектирования», профессор.

Бутенко Людмила Николаевна

доктор химических наук, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Системы автоматизированного проектирования и поискового конструирования», профессор;

Ведущая организация

Брянский государственный технический университет

Защита состоится «28» октября 2013г. в 15°° часов на заседании диссертационного совета Д 212.028.04, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005, г. Волгоград, пр-т им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан « ¿V » сентября 2013 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета г^ггих^ Водопьянов Валентин Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования.

Научная актуальность обусловлена созданием математического и программно-методического обеспечения САПР, позволяющего проектировать новые и совершенствовать конструкции действующих в технологических процессах химических реакторов.

Практическая актуальность связана с внедрением разработанных видов обеспечения САПР на промышленном предприятии ОАО «Каустик» г. Волгограда. В настоящее время при проектировании химических реакторов активно применяются различные средства автоматизированного проектирования и вычислительной техники, а также программы автоматизации технологических расчетов химических производств, такие как Hysys, Pro-II, Provision, ChemCad, AspenPlus, STX, ACX, HTFS (TASC, ACOL, FIHR, PIPE), Hextran, PipeSys и др., в которых используются методики расчета реакторов с безградиентными граничными условиями диффузионной модели структуры потоков на выходе из объекта, а также постоянном значением критерия Пекле по длине реактора. В то время как значение продольной диффузии, входящее в критерий Пекле, характеризующего структуру потоков, зависит от ряда параметров: коэффициента продольной диффузии Д, критерия Рейнольдса Re, профиля скорости v(r): D, =/[д u{r),Re], Таким образом, современные САПР не могут в полной мере охватить технический этап проектирования, что вносит существенные отклонения в расчетах реального процесса.

При одинаковой производительности и степени конверсии объемы реакторов в зависимости от структуры потоков могут меняться в десятки раз.

Для примера на рис. 1 представлено отношение объемов реакторов с идеальными структурами потоков - смешения и вытеснения для простой элементарной реакции А —* В. Как следует из графика, при рабочей степени конверсии ^=0,95 отношения объемов реакторов достигает 6,5 раз.

Поэтому актуальной задачей проектиро-vc вания является максимально точное опреде-

ление структуры потоков, составление математической модели, а также алгоритмов и программ расчета реакторов.

Работа выполнена в рамках г/б НИР № 2853/441-12 «Моделирование гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в химических реакторах».

0,91 0.92 0,93 0,94 0,95 0,96 0,97 0.98 0,99 Рис. 1

Цель работы - разработка математического и алгоритмического обеспечения для систем САПР, позволяющего повысить точность моделирования при автоматизированном проектировании конструкций химических реакторов.

Задачи исследования.

1. Провести анализ существующих конструкций химических реакторов и выявить параметры, влияющие на выбор конструкций аппаратов.

2. На основе применения математических методов и средств вычислительной техники повысить точность моделирования за счет создания новой диффузионной модели структуры потоков.

3. Составить алгоритмы и программы расчетов реакторов с двух- и многокомпонентной диффузионной структурой потоков, учитывающих новые градиентные граничные условия на выходе из объекта.

4. Разработать ряд перспективных технических решений конструкций химических реакторов на основе методов концептуального проектирования.

Область исследования - разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.

Объект исследования - диффузионная модель структуры потоков в химических реакторах.

Предмет исследования - методы автоматизации проектирования реакторов химической промышленности с диффузионной моделью структуры потоков на базе физического и математического моделирования.

Гипотеза исследования — отношение градиентов концентраций компонентов реакции в диффузионной модели равно отношению градиентов концентраций этих компонентов в идеальном вытеснителе.

Методы исследования. При выполнения исследований и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, аналитические методы расчета параметров моделей, эвристические методы анализа и синтеза задач, методы решения изобретательских задач, методы корреляционного анализа, объектно-ориентированное программирование.

Научная новизна.

1. Разработана и исследована двух- и многокомпонентная диффузионная модель структуры потоков, отличающаяся тем, что при моделировании учитываются дисперсии функций отклика и чисел Пекле каждого из реагирующих компонентов реакции, что позволяет определить оптимальные режимные параметры процессов и разработать высокоэффективные технические решения для промышленных реакторов.

2. Предложен новый способ определения структуры потоков в аппаратах, отличающийся тем, что используются два различных по молекулярной диффузии индикатора, что позволяет увеличивать точность расчетов реакторов и улучшить их конструктивные особенности в ходе поискового конструирования.

3. Разработаны алгоритмы и программы расчетов для проектирования реакторов по двух- и многокомпонентной диффузионной модели с новым градиентным граничным условием, которое в отличие от известного, позволило увеличить точность расчета объема реакторов на 20-30%.

4. Разработан алгоритм и программа расчетов промышленного реактора с вариативным критерием Пекле, позволяющим снижать максимальные температурные нагрузки в зоне реакции и отличающийся тем, что при определен-

ных условиях политропные реактора необходимо рассчитывать как модели с диффузионной структурой потоков, а не как модели вытеснения.

Достоверность результатов.

Достоверность полученных результатов опирается на научные исследования российских и зарубежных авторов; собственные экспериментальные и теоретические исследования; подтверждена опытными и промышленными данными; обработкой результатов с использованием численных методов анализа, современных методов математического моделирования и опираются на известные и разработанные диффузионные математические модели структуры потоков в аппаратах.

Практическая ценность.

Предложена методика расчета химических реакторов с учетом зависимости структуры потоков от коэффициентов молекулярной диффузии каждого компонента реакции.

Разработаны и запатентованы варианты конструкций трубчатых реакторов и аппаратов с перемешивающими устройствами, проведены их расчеты и анализ на ЭВМ, позволяющие управлять гидромеханическими, тепло- и мас-сообменными процессами.

Базой исследования послужил производственно-технологический процесс получения винилхлорида, осуществляемый на предприятии ОАО «Каустик» г.Волгограда.

Реализация и внедрение результатов работы.

По результатам работы получены акты внедрения на Волгоградском промышленном предприятии ОАО «Каустик» и в учебном процессе ВолгГТУ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на восьми международных и трех всероссийских научных конференциях: VII международная конференция «гргйуу уёёескё ¡с1ф» (Прага, 2011 г.), международная молодёжная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу - творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 2010 г.), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 2011 г.), всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (г.Казань, 2010 г.), Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологии-24» (г. Пенза,

2011 г.), «Математические методы в технике и технологии-25» (г. Саратов,

2012 г.), XIV Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2012» (г. Тула, 2012 г.), 12-я Международная конференция (г. Самара, 2012 г.), Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы» (г. Йошкар-Ола, 2012 г.) и др.

Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 27 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в научно-технических журналах, получен патент РФ на способ определения структуры потока в аппарате и 7 патентов на полезные модели конструкций реакторов.

Струюура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 120 источников, О. приложений. Диссертация изложена на/Петр, машинописного текста, содержит 56 рисунков и графиков, 20 таблиц.

Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследований соответствует специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность) по пунктам 1, 2, 3 и 5.

Положения, выносимые на защиту.

1. Способ определения структуры потоков методом двух индикаторов с различными коэффициентами молекулярной диффузии.

2. Разработанная диффузионная модель структуры потоков с новым градиентным граничным условием.

3. Методика моделирования и проектирования реакторов по двух- и многокомпонентной диффузионной модели с градиентными граничными условиями на выходе из объекта, а также алгоритмы и программы расчета вышеуказанных реакторов на ЭВМ.

4. Технические решения, полученные на основе современных методов концептуального проектирования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определены цель и задачи исследования, сформулированы научная новизна и практическая ценность работы.

Первая глава посвящена исследованию типовых конструкций реакторов химической промышленности. Выяснено, что для проектирования новых и совершенствования действующих в технологических процессах конструкций химических реакторов необходимо изучение структуры потоков в аппаратах, которая характеризует распределение частиц по времени пребывания в объекте, что потребовало провести анализ известных гидродинамических моделей. Показано, что диффузионная модель наиболее точно отражает реальный процесс в объекте и относится к моделям детерминированного класса (О. Ле-веншпиль, В.В. Кафаров, А.Ю. Закгейм, Д.А. Франк-Каменецкий, Н.И. Гель-перин, В.Л. Пебалк и др.). Однако модель имеет ряд допущений, основным из которых является использование безградиентных граничных условий на выходе из аппарата, что справедливо только для реакторов идеального смешения.

В связи с чем была поставлена задача совершенствования типовой диффузионной модели.

Во второй главе для доказательства предполагаемой гипотезы проведены эксперименты по определению структуры потоков на новых конструкциях аппаратов, защищенных патентами РФ, в сравнении с известными конструкциями, взятыми за прототип. Экспериментальное определение структуры потоков также запатентовано новым способом, заключающимся в том, что на вход в объект подают трассеры и на выходе снимают кривые отклика от двух

индикаторов, значительно отличающихся по значениям коэффициентов мо-

аппарата с комбинированной мешалкой установки трубки аппарата вытес-

нения (пол.реш. патента на ПМ №2013118528 от 22.06.2013)

На рис. 2 представлена конструкция смесителя, на валу которого закреплена ведущая полумуфта в виде цилиндра, на боковой поверхности которого равномерно в шахматном порядке установлены стержни из упругого материала, при этом отношение окружности, образованной стержнями к внутреннему диаметру патрубка составляет (НЮ = (0,9-Ю,95). На рис. 3 представлено распределительное устройство для трубок трубного пучка в виде конической крышки, снижающего инерцию и увеличивающего свободу его вертикального перемещения при колебаниях расхода реакционной массы в трубе.

Анализ экспериментальных данных показал, что при высоких скоростях движения реакционной массы в аппарате (п = 4 об/с; и = 0,1 м/с), когда конвективный перенос превалировал над диффузионным, дисперсии кривых отклика и соответствующие им значения критерия Пекле принимали равные значения. Однако при снижении скорости (и = 1 об/с; и = 0,01 м/с) разница в дисперсиях и критериях Пекле была значительной, что подтверждает влияние диффузии ионов на структуру потоков при низких скоростях движения реакционной массы.

Определение структуры потока только по регистрации концентрации одного индикатора приводит к ошибкам в определении дисперсии а2 до 75%, в определении критерия Пекле Ре более 100%.

Корреляционный анализ показал, что для каждого из двух индикаторов расчетное значение критерия Кохрена меньше табличного, то есть их дисперсии однородны. Общая ошибка опытов для двух индикаторов в 7,0-12,7 раз превышает ошибку опытов для каждого индикатора в отдельности. Это значит, что молекулярную диффузию компонентов нельзя относить к шумовому эффекту.

В третьей главе на основе экспериментальных данных, современных методов моделирования и инженерного анализа получено математическое описание диффузионной однопараметрической модели на примере химических реакций различных порядков. Аналитическое решение модели известно только для реакций первого порядка. Для численного решения систем неоднородных дифференциальных уравнений реакций высших и дробных поряд-

ков на основе материального баланса было выведено интегральное граничное условие на выходе из объекта:

с„„ - ■

1 (сіс

Ре„ І СІХ

1 Ыст

Ре Л <3х

Правильность выведенного интегрального уравнения подтверждается равенством результатов численного расчета с известным аналитическим решением для реакций первого порядка.

Дополнительно для решения систем уравне- 1 /-¿о. ^ 1 ния сложных реакций выведено уравнение связи I =

градиентов концентраций на выходе из объекта: ' е

АС, ¿х

Аналитически доказана гипотеза о равенстве отношения градиентов концентраций на входе и выходе для реакторов с диффузионной моделью и моделью идеального вытеснения:

ас 1х

СІС

ас

1х

лГ

Сравнение результатов аналитического и численного расчетов по предлагаемой модели и типовой показывает, что разработанная модель с разными параметрами Реа Рев и градиентным граничным условием на выходе из реактора позволяет увеличить точность расчетов степени конверсии на 4-5% и снизить расчетный объем реактора на 20-25%.

Влияние степени конверсии на объемы реакторов представлено на графиках (рис. 5): а) при Ре=1; СА0=5 кмоль/м3; п=0,5; САК =0,13; Ха=0,87. б) При Ре=1; п=1; САо=5 кмоль/мЗ; Сак=0,13; Ха=0,87 отношение объемов реакторов по типовой (1) и градиентной (2) диффузионной модели составляет 3,067.

Сак,

Сак 0,25

0,20 0,15 0,10

3,5

4 к*тт к-т

к-т 4 к т.

Рис. 5 Влияние степени конверсии на объем реактора: а) Объем реактора завышен на 32%; б) Объем реактора завышен на 6,7%

Предлагаемая градиентная модель позволяет усовершенствовать процесс проектирования, выявить оптимальные конструкции реакторов за счет уменьшения их объемов по сравнению с типовой, что особенно часто вызывает трудности для последовательной реакции вида А—к' >/?, когда целевым продуктом является промежуточный компонент В.

Как следует из анализа графиков (рис. 5, 6) , расхождения в расчетах оптимальных объемов (среднего времени пребывания) начинаются при Ре=3 и уве-

личиваются с его ростом, то есть при приближении структуры потоков к идеальному вытеснению. Так, при Ре= 10 типовая модель завышает объем реактора на 9%. При Ре=20 на 10%, при этом отношение объемов идеального смешения и вытеснения составляет 23%.

Рис. 6 Влияние степени конверсии на выбор объема реактора: 1 - типовая модель; 2 — предлагаемая модель; 3 -идеальный вытеснитель; 4 - идеальный смеситель

1 2 Треа

0,15 0,3 1 3 5 10 30 50 loo Pea

На основе требований, предъявляемых к моделям различными системами компьютерного моделирования, и численного решения систем уравнений были разработаны алгоритмы расчетов концентраций и градиентов концентраций компонентов реакций различных порядков (рис. 7).

В четвертой главе предложены алгоритмы расчетов реакторов с вариативным Пекле по длине реактора на примере промышленного реактора гидрохлорирования ацетилена и проведен его расчет (таблица 3, рис. 8).

Таблица 3

Основные расчетные параметры реактора гидрохлорирования ацетилена

~ ----—___Структура потоков в реакторе Наименование ' ■— параметра и его размерность —------ РИВ РИС РДМс числами Пекле Ре„

10 1 ОД

Относительная конечная концентрация на выходе 0,001 0,125 0,00187 0,0627 0,1234

Максимальная температура, °С 192,5 120,2 165,5 134,6 126,7

Координата длины трубы с максимальной температурой, м 0,61 по всей длине t°=QOIlSt 0,76 1,4 2,24

Относительная концентрация ацетилена на входе в трубу 1 0,125 0,664 0,3225 0,165

Средняя температура реакционных газов 122,8 120,2 137,8 128,9 122,1

Среднее значение коэффициента теплопередачи, ВтЛ/ К 34 34,4 35,72 35,09 34,7

Среднее значение числа Пекле 00 0 8,69 0,892 0,09

Среднее время пребывания реакционных газов в трубе, с 39,15 39,21 39,2 39,22 39,22

Продольная диффузия уже при Ре = 10 сбивает максимум температуры со 192,5°С до 170°С, что предотвращает термическую деструкцию катализатора и компонентов реакционных газов. Таким образом, уже при дисперсии функции отклика а1 - 0,2 и Ре = 10, политропные реактора нельзя рассчитывать как реакторы идеального вытеснения: величина конечной относительной концентрации может быть занижена на 1% и более, а максимальная температура завышается на 25-К30°С.

Рассчитываются с^рив

Сак,РИС - Сан, РИС ~ са

нет

т

Методом половинного деления задаются са„: са< ст<1

т

Рассчитываются локальные градиенты и концентрации по длине реактора

+Реа-{Щ -Ax+k-t-Pe -Сы '¿х dx), {dx i, '{ dx J,.,

Типовая модель

Градиентная модель

= 0

V dx), =i

--ШЬ'-'чф.-1

да

т

Рассчитываем с,к из уравнения материального баланса

(граничного условия на выходе) Сек * Сак +

Рассчитывается градиент концентраций В по выведенному граничному условию на выходе '¿с, \ Ре. (с1с„

dx

Ре„

dx

Рассчитываются локальные градиенты и концентрации В по длине реактора ' dc, Л ( dc Л „ fdc.^ (dc.

dx.

dx

-Ре.

dx

■ Ax + k ■ x ■ Ax ■ Pe. ■ c„

dx

Ax

Рис. 7 Блок-схема алгоритма численного расчета компонентов на примере простой необратимой реакции А —

ШЯИПШП» ШШДНШЩШЩ

пи

»«я

НВИПВНШ

У і і О

і Г С і .сії:. 600.5) до і о /, і

1)Ь ЬМ)>у(1Л>

■ і ■ 10>'.'И/и до 1о /

11 (. . I I (.-11-И 005) | до |„ / 1>-0 03/5

и-0.0?

7 іКи.дІ.(10-0.005)) уо 1о 3 І) И0 (1)0/10)-,;

к!- И 0« (у/о0)» «0 . У« (1 .»-!,/(:) 1/,-(||)) ) 0о I о 5 3 И=И(МиЛ»О)««0 9 5 I) ЬО-Ы/кЮ

II .1"ОХ|)( ег/х) м>

V Х'Ы)»0Х|)( II (ог/х)) |)-(х 11) 2/3) хо ) ехр( и)

с.1-V х,і

V у0»у/(273*1п)

V ^/(273. ЫЫ1 0.085-хд)-Ы/Ы г),>-р/|))

1с V •• /3

т-іи?(-.-) ] ; .і. ' ' 7. - І.. ' . І, . с,,,' , „

вп1е(«.») к І. - к ^

Рис. 8. Фрагмент программы расчета реакторов с вариативным Пекле

На основе проектных разработок были выявлены оптимальные варианты семи конструкций аппаратов. Методы эвристических приемов позволили найти ряд технических решений, частично представленных в таблице 4.

Таблица 4

Название

-меситель № 109010 В 01 И 7/16, 2011 г.

Краткое описание

Одновременное перемешивание быстроходной центральной мешалкой и тихоходной рамной или якорной мешалкой у стенки реактора. Ведущая полумуфта гидромуфты - вал быстроходной мешалки; ведомая полумуфта - патрубок.

Преимущества

Вместо отдельного двигателя или ре дуктора крутящий момент к тихоходной мешалке передается через гидромуфту с рабочей жидкостью - самой перемешиваемой средой.

Недостатки

В каждую трубу трубного пучка установлена на входе в нее гильза с наружным диаметром, равным внутреннему диаметру трубы, причем каждая гильза имеет сквозную прорезь по длине и вертикальные ребра из вырезанной и отогнутой части боковой поверхности гильзы.

Увеличение поверхности теплоотдачи только в зоне пиковых температур, где тепловыделение (теп-лопоглощение) наибольшее, снижение гидравлического сопротивления, упрощение установки гильз внутри труб._

Трудности с регулированием числа оборотов тихоходной мешалки при неизменном числе оборотов быстроходной мешалки.

Методы анализа и конструирования

Морфологический анализ вариантов передачи крутя щего момента (ре дукторы, ременные передачи, фрикционные передачи, гидро муфты и гидротрансформаторы).

Сложности при засыпке свежего катализатора в трубы и удаление отработанного катализатора из нижней части труб.

Метод «мозгового штурма» для решения задачи увеличения поверхности теплоотдачи в зоне пиковых температур. Метод математического моделирования.

Кроме того предложены конструкции и представлены расчеты реакторов с продольными прямоугольными и с коническими ребрами (рис. 8, 9), которые решают проблему оптимизации тепловых нагрузок.

Г-* ............3

ТТ___——-

Рис. В Схема установки модуля с 4-мя продольными прямоугольными ребрами

высотой Ь и ДЛИНОЙ 1о (патент на ПМ № 124187 от 20.01.2013)

Рис. 9 Схема установки продольных конических ребер (патент на ПМ № 106140 от 10.07.2011)

На рисунке 10 (кривая 2) видно, что уже при начальной высоте ^ребра й0 = 0,01л< максимальная температура уменьшается со 192,5 °С до 176°С, то есть становится меньше температуры термической деструкции катализатора, при этом средняя температура уменьшается незначительно со 122,8 "С до 118,3 "С. То же касается и степени конверсии, которая на свежем катализаторе снижается с ж = 0,9999 до % = 0,9987.

2 3 4 5 6 г, м

Рис.10. Зависимость температуры реакционных газов от координаты длины трубы г: 1 - для промышленного реактора (заштрихованная область превышения температуры деструкции катализатора , =180°с); 2 - для реактора с 4 продольными коническими ребрами с высотой ребра на входе й0 =0,01 м, <, =100°С; 3 - для реактора с 4-мя продольными коническими ребрами с высотой ребра на входе й0= 0,03м\ 1® = 119,6°С.

Рис.11. Зависимость температуры реакционных газов от координаты длины трубы 2\\- для промышленного реактора (заштрихована область превышения температуры деструкции катализатора ^=180°С); 2 - для реактора с 4-мя прямоугольными ребрами с высотой ребра на входе й=0,02 м, = 100°С при давлении р= 1,033 ат; 3 - для реактора с высотой ребра на входе й=0,035 м и температурой кипящей в межтрубном пространстве воды г„=119,6°С при давлении р = 2 ат.

180 160 140 1,і 120 1, 100

Начальная концентрация ацетилена С =1+—%ги

Ре

Приращение температуры на каждом шаге итерации за счет скачкообразного

изменения концентрации на входе от 1 до Са„ А1с1 = ^—Яга!

П-Ят'Ср

і

Определяем градиент концентраций на каждом шаге итерации 2Г, = + Ре,_, ■ ■ Ах + ■ Ре,., ■ Са ■т-Ах

I --

Текущая концентрация ацетилена Са1 = Са + ^ , ■ Ах

Определяем температуру в зоне реакции

= +А1а-в-8г1_глх-в-к,-1,)

Определяем давление и скорость газов

Определяем коэффициент теплопередачи х„ = К„\ —

т

Определяем константу скорости реакции

К, =К0ехр -1(273+/,)

Определяем критерий Пекле »ОАроА^з+І,)

Ре, = Ре„

Рис. 12. Блок-схема алгоритма численного расчета реактора гидрохлорирования ацетилена с вариативным критерием Пекле

При начальной высоте четырех конических ребер \ = 0,03 л< максимальная температура ^ =175,Т С достигается на координате 2 = 0,48,«, то есть не превышает критическую для термической деструкции катализатора температуру / =180°С, однако средняя температура повышается до

г, =131,4°С, что на 8,7°С больше, чем в промышленном реакторе (блок-

схема алгоритма расчета представлена на рис. 12).

Для управления температурными нагрузками можно расчетным путем подобрать такую геометрию ребер, чтобы уменьшить пиковую температуру 1„ < 180°С, но повысить ее в средней и верхней части труб, где она (кривые 1 и 2 на рис. 11) приближается к температуре кипящей в межтрубном пространстве воды гв = 100°С при давлении рв = 1,033 ат. Для этого достаточно в межтрубное пространство для съема тепла реакции подавать в межтрубное пространство воду при температуре 4=119,6°С и давлении рв = 2 ат.

Конструкции реакторов с комбинированными перемешивающими устройствами были созданы в результате расчетов по разработанной диффузионной модели структуры потоков.

__3"

о

-ч—е-

I Щг

"ТГ

-ОІ

к>

ОЙЭ

Рис. 8 Схема реактора с комбинированным перемешивающим устройством (патент на ПМ № 116069 от 20.05.2012)

■04

—:|С—

Рис. 9 Схема реактора с гидромуфтой типа «цилиндр-цилиндр» (патент на ПМ№ 109010 от 10.10.2011)

Результаты расчетов относительной конечной концентрации Са для различных порядков реакции в реакторе с комбинированной мешалкой приведены в таблице 2.

При увеличение числа оборотов тихоходной мешалки с и, = 23 об/мин до пх= 29об/мин увеличивается степень конверсии (Х = 1 -С„) на 3% при порядке реакции 0,5. При порядке реакции больше 1 это увеличение степени

конверсии достигает 1%.

Дальнейшие расчеты показывают, что при одинаковой степени конверсии и производительности объем реактора может быть значительно уменьшен. Так, для порядка реакции п для расчетной относительной конечной концентрации Сак= 0,128 увеличение числа оборотов тихоходной мешалки с 23 об/мин (рис. 8) до 29 об/мин (рис. 9) приводит к уменьшению параметра кт1 =4 до кт2 =3,34, что позволяет снизить объем реактора на 16,5%. Для порядков реакции п > 1 это снижение объема реактора не превышает 4-5%.

Таблица 5

Зависимость относительной конечной концентрации исходного компонента А от порядка реакции при См = 5 кмолъ!м3; кг = 4; в2 = 0,83; Ре = 0,6 в реакторе (рис. 9)

Наименование параметра Численное значение

Порядок реакции п 0,5 1 1,5 2

Относительная конечная концентрация в предлагаемой модели 0,1185 0,138 0,140 0,142

Относительная конечная концентрация Сакв в типовой диффузионной модели 0,1484 0,142 0,1415 0,143

Таким образом, регулируя внутренний диаметр и высоту втулки, можно увеличить эффективность перемешивания и степень конверсии исходного компонента в периферийной зоне реактора, где вращается тихоходная рамная или якорная мешалки.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе системного подхода теории математического моделирования и концептуального проектирования решена актуальная научная задача по разработке математического и методического обеспечения САПР химических реакторов с построением и исследованием моделей, алгоритмов и методов синтеза их проектных решений.

2. Проведен анализ существующих проблем оптимизации тепловых нагрузок в реакторах с диффузионной моделью структуры потоков, позволяющий найти проектные и конструкторские решения для САПР.

3. Разработан и запатентован способ определения структуры потоков двумя различными по молекулярной диффузии индикаторами.

4. Аналитически подтверждена гипотеза о равенстве отношения градиентов концентраций на входе и выходе для реакторов с диффузионной моделью и идеальным вытеснителем.

5. Разработаны алгоритмы расчетов реакторов на основе новых градиентных граничных условий однопараметрической диффузионной модели для простых и сложных химических реакций, а также для промышленного реактора синтеза винилхлорида.

6. Разработано программное обеспечение на языке Fortran по расчету основных параметров, определяющих конструктивное исполнение промышленных реакторов с различными диффузионными моделями структуры потоков.

7. Использование современных методов поискового конструирования и разработанной диффузионной модели позволили создать и запатентовать новые технические решения, устраняющие проблемы оптимизации тепловых, массообменных и гидродинамических нагрузок в химических реакторах.

8. Увеличена точность расчетов САПР за счет разработки двух- и многокомпонентной диффузионной модели с новым градиентным граничным условием, позволившей снизить объемы реакторов на 20-30%.

9. Экономический расчет показал, что эффект только за счет увеличения срока службы катализатора составляет 45 тысяч рублей в год. Оценка влияния технических решений запланированы при выполнении опытных работ на ОАО «Каустик» на 2014 г. (подтверждено актом).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В РАБОТАХ

В рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ

1. Голованчиков, А.Б. Моделирование химических реакторов с различными структурами потоков и уровнями сегрегации по реализующим компонентам / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Изв. ВолгГТУ. Серия "Актуальные проблемы управления, вычислительной техники и информатики в технических системах". Вып. 12 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011.-№ 11.-С. 12-15.

2. Голованчиков, А.Б. Расчёт химического реактора с диффузионной моделью структуры потоков и разными числами Пекле по реагирующим компонентам / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Известия вузов. Химия и химическая технология. - 2012. - Т. 55, № 8. - С. 111-114.

3. Голованчиков, А.Б. Математическое моделирование химического реактора с различными диффузионными структурами потока по реагирующим компонентам / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Химическая промышленность сегодня. - 2013. №3 - с. 51-55.

Статьи в других журналах

1. Кожухотрубный реактор / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова, С.Б. Воротнева // В мире научных открытий. - 2010. - № 4, ч. 15. -С. 123-124.

2. Голованчиков, А.Б. Интенсификация теплообмена в кожухотрубном реакторе / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 4 : межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2011. - № 1. - С. 76-77.

3. Голованчиков, А.Б. Снижение пиковых температур в политропных трубчатых реакторах / А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Химическая промышленность. - 2012. - Т. 89, № 4. - С. 181-185.

4. Перспективные конструкции тепломассообменных аппаратов типа "труба в трубе" / С.Б. Воротнева, А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2012. -№ 1. - С. 25-28.

5. Голованчиков, А.Б. Диффузионная модель структуры потоков для политропных трубчатых реакторов // А.Б. Голованчиков, H.A. Дулькина, Ю.В. Аристова // Изв. ВолгГТУ. Серия «Реология, процессы и аппараты химической технологии». Вып. 5: межвуз. сб. науч. ст. / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013. - № 1(104). - С. 54-58.

Патенты

1. Пат. 2463585 Российская Федерация, МПК51 G 01 N 27/06. Способ определения структуры потока жидкости в аппарате / Голованчиков А.Б., Дуль-кина H.A., Аристова Ю.В., Васильева Е.В., Павлов A.B.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - 2011123180/28 ; заявл. 08.06.2011; опубл. 10.10.12.

2. П.М. 88287 Российская Федерация, МПК51 В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Воротнева С.Б., Селезнева Е.А., Харченко А.Б.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. -2009123073/22; заявл. 16.06.09; опубл. 10.11.09.

3. П.М. 109010 Российская Федерация, МПК51 В 01 F 7/16. Смеситель / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Ужва Ю.О., Протасова Е.И.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - 2011118806/05; заявл 10.05.11; опубл. 10.10.11.

4. П.М. 106140 Российская Федерация, МПК51 В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Ефремов М.Ю., Кузнецов A.B., Комкин П.А.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. -2011105426/05; заявл. 14.02.11; опубл. 10.07.11.

5. П.М. 121456 Российская Федерация, МГЖ51 В 01 J 8/00. Реактор для проведения каталитических процессов / Кузнецов H.A., Балашов В.А., Дулькина H.A., Голованчиков А.Б., Аристова Ю.В., Пудиков И.А.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. - 2012104269/05; заявл. 07.02.12; опубл. 27.10.12.

6. П.М. 114425 Российская Федерация, МПК51 В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Фоменков С.А., Марковская К.С.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. -2011140682/05 ; заявл. 06.10.11; опубл. 27.03.12.

7. П.М. 116069 Российская Федерация, МГЖ51 В 01 F 13/00. Смеситель / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Миняйло В.В., Ревин П.П., Осауленко Г.И.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. -2011150377/05; заявл. 09.12.11 ; опубл. 20.05.12.

8. П.М. 124187 Российская Федерация, МПК51 В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / Голованчиков А.Б., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Кляузов C.B., Марковская К.С.; заявитель и патентообладатель ВолгГТУ. -2012120941/05; заявл. 22.05.12; опубл. 20.01.13.

9. Положительное решение на П.М. РФ №2013118528 от 22.06.2013, МПК51 В 01 J 8/00. Кожухотрубный реактор / Голованчиков А.Б., Балашов В.А., Дулькина H.A., Аристова Ю.В., Воротнева С.Б., Орлянкина Я.А.; ; заявл. 22.04.13.

Подписано в печать і8,,О9.2013 г. Заказ № 6ЯО . Тираж 100 экз. Печ. л. 1,0 Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография ИУНЛ Волгоградского государственного технического университета. 400005, г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, корп. 7.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волгоградский государственный технический университет»

(ВолгГТУ)

04201455712 На правах рукописи

Аристова Юлия Валерьевна

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ С ДИФФУЗИОННОЙ МОДЕЛЬЮ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ

05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Голованчиков Александр Борисович

Волгоград - 2013 г.

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЕ

Обозначение Расшифровка

А, В, R Компоненты реакции

A,,BbRbP Постоянные интегрирования

Со Концентрация вещества в потоке на входе в аппарат

С Концентрация вещества в потоке и в любой точке аппарата

с Относительная концентрация компонентов реакции

Син Концентрация индикатора

D Коэффициент молекулярной диффузии

Dan Диаметр аппарата

Dr Коэффициент радиальной диффузии

D, Коэффициент продольной диффузии

dM Диаметр мешалки

drp Диаметр трубок трубчатого реактора

F Поверхность теплопередачи

f Число степеней свободы

G Критерий Кохрена

h Высота ребер

1 Длина аппарата

К Константа скорости реакции

N Количество индикаторов

n Количество оборотов мешалки

0 Ошибка опытов

P Давление в реакторе

Pe Критерий Пекле

q Объемный расход потока

Re Критерий Рейнольдса

S Уровень сегрегации

Sm Сумма квадратов отклонения

Ошибка опыта

t Температура реакционной массы

V Объем реакционной массы

VHH Объем индикатора

VTO Объем трубки трубчатого реактора

V0 Объем реактора

"CD Средняя линейная скорость потока

Скорость реакции

W(C) Скорость химической реакции

X Координата направления движения потока в аппарате

X Безразмерная координата длины

dc/dx Градиент концентрации

а Коэффициент теплопередачи

М- Вязкость жидкости

а2 Дисперсия экспериментальной функции

т Время пребывания частиц в аппарате

т Оптимальное время пребывания

е Безразмерное время пребывания частиц в аппарате

X Степень конверсии

РИС Реактор идеального смешения

РИВ Реактор идеального вытеснения

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................................................................................................5

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ СТРУКТУРАМИ ПОТОКОВ................................................................................8

1.1 Типовые конструкции промышленных реакторов..................................................10

1.2 Идеальные модели структуры потоков......................................................................................13

1.2.1 Модель идеального смешения (РИС)..................................................................................14

1.2.2 Модель идеального вытеснения (РИВ)............................................................................15

1.3 Комбинированные модели..............................................................................................................................17

1.3.1 Ячеечная модель......................................................................................................................................................21

1.3.2 Диффузионная модель..................................................................................................................................22

1.4 Концептуальная модель структур потоков..........................................................................28

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................................31

2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА МЕТОДОМ ДВУХ ИНДИКАТОРОВ..............................................................................32

2.1 Описание экспериментальной лабораторной установки................................32

2.2 Экспериментальное определение структуры потока индикаторами с разными коэффициентами молекулярной диффузии................35

2.3 Обработка экспериментальных данных....................................................................................38

2.4 Корреляционный анализ результатов эксперимента..........................................44

2.5 Алгоритм расчета..............................................................................................................................................................47

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................................50

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СТРУКТУРЫ ПОТОКОВ НА ПАРАМЕТРЫ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ..............................51

3.1 Моделирование химических реакторов с различными структурами потоков и уровнями сегрегации по реагирующим компонентам.............................................................

3.2 Вывод граничных условий диффузионной модели структуры потоков..............................................................................................................................................................................................59

3.2.1 Простая реакция первого порядка......................................................................................................61

3.2.2 Алгоритм численного расчета..................................................................................................................63

3.2.3 Реакция присоединения первого порядка по каждому компоненту.........................................................................................

3.2.4 Алгоритм численного расчета..................................................................................................................72

3.2.5 Сложная последовательная реакция первого порядка 77 по каждому компоненту...................................................................

3.2.6 Алгоритм численного расчета..................................................................................................................81

3.2.7 Сложная обратимая реакция первого порядка по компонентам.. 89

3.2.8 Алгоритм численного расчета..................................................................................................................92

3.2.9 Реакции второго порядка с интегральными граничными условиями на выходе из объекта..........................................................................................................................97

3.2.10 Алгоритм численного расчета..................................................................................................................99

ВЫВОДЫ................................................................................................................................................................................................................107

4 ПРОЕКТИРОВАНИЕ РЕАКТОРОВ ДЛЯ ОПТИМИЗАЦИИ

ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ......................................................................................................................................108

4.1 Конструкция кожухотрубного реактора с дополнительными трубками........................................................................................................................................................................................ИЗ

4.2 Конструкция кожухотрубного реактора с продольными коническими ребрами внутри цилиндрических труб........................................117

4.3 Конструкция реактора для проведения каталитических процессов........................................................................................................................................................................................120

4.4 Модификация конструкции промышленного реактора гидрохлорирования ацетилена..................................................................................................................122

4.5 Математическая модель реактора с диффузионной моделью структуры потоков..........................................................................................................................................................124

4.6 Алгоритм численного расчета реактора гидрохлорирования ацетилена с вариативным критерием Пекле....................................................................126

4.7 Расчет реактора с продольными прямоугольными ребрами................131

4.8 Расчет реактора с продольными коническими ребрами..............................140

4.9 Конструкции реакторов с комбинированными перемешивающими устройствами....................................................................................................145

ВЫВОДЫ............................................................................................................................................................................................................149

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................................................................150

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................................152

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Список опубликованных работ......................................................................165

ПРИЛОЖЕНИЕ 2 Акт внедрения на промышленное предприятие

ОАО «Каустик» г. Волгоград............................................................................................................................................170

ПРИЛОЖЕНИЕ 3 Акт внедрения в учебный процесс ВолгГТУ..........................171

ПРИЛОЖЕНИЕ 4 Программа расчета реактора гидрохлорирования 172 ацетилена

ВВЕДЕНИЕ

При проектировании новых и совершенствовании действующих в технологических процессах конструкций химических реакторов основным параметром, влияющим на выбор объема аппарата и его геометрических характеристик, а также на поверхность теплопередачи является структура потоков реакционной массы.

Наиболее точной моделью, описывающей структуру потоков, является диффузионная, поскольку она относится к моделям детерминированного класса. Однако эта модель имеет ряд допущений, ведущим к отклонениям в расчетах промышленных аппаратов и реакторов. Точные сведения о структуре потоков позволяет расчетным путем подбирать оптимальные конструкции аппаратов и реакторов и повышать эффективность их функционирования на основе автоматизированного проектирования.

На рис. 1 представлено отношение объемов реакторов с идеальными структурами потоков - смешения и вытеснения для простой элементарной реакции. Как видно, при заданной степени конверсии %=0,95 отношения объемов реакторов могут отличаться в 6,5 раз.

Рис. 1 Отношение объемов реакторов для идеальных структур потоков

Применение современных методов моделирования и инженерного творчества позволяет выявлять оптимальные варианты конструкций реакторов и разрабатывать новые технические решения при их проектировании.

Поэтому актуальной задачей проектирования является максимально точное определение структуры потоков, составление математической модели, а также алгоритмов и программ расчета реакторов.

Работа выполнена в рамках г/б НИР № 28-53/441-12 «Моделирование гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в химических реакторах».

Цель работы - разработка математического и алгоритмического обеспечения для систем САПР, позволяющего повысить точность моделирования при автоматизированном проектировании конструкций химических реакторов.

Задачи исследования.

1. Провести анализ существующих конструкций химических реакторов и выявить параметры, влияющие на выбор конструкций аппаратов.

2. На основе применения математических методов и средств вычислительной техники повысить точность моделирования за счет создания новой диффузионной модели структуры потоков.

3. Составить алгоритмы и программы расчетов реакторов с двух- и многокомпонентной диффузионной структурой потоков, учитывающих новые градиентные граничные условия на выходе из объекта.

4. Разработать ряд перспективных технических решений конструкций химических реакторов на основе методов концептуального проектирования.

Область исследования - разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.

Объект исследования - диффузионная модель структуры потоков в химических реакторах.

Предмет исследования - методы автоматизации проектирования реакторов химической промышленности с диффузионной моделью структуры потоков на базе физического и математического моделирования.

Гипотеза исследования - отношение градиентов концентраций компонентов реакции в диффузионной модели равно отношению градиентов концентраций этих компонентов в идеальном вытеснителе.

Методы исследования. При выполнения исследований и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, аналитические методы расчета параметров моделей, эвристические методы анализа, эвристические методы анализа и синтеза задач, методы решения изобретательских задач, методы корреляционного анализа, объектно-ориентированное программирование.

Научная новизна.

1. Разработана и исследована двух- и многокомпонентная диффузионная модель структуры потоков, отличающаяся тем, что при моделировании учитываются дисперсии функций отклика и чисел Пекле каждого из реагирующих компонентов реакции, что позволяет определить оптимальные режимные параметры процессов и разработать высокоэффективные технические решения для промышленных реакторов.

2. Предложен новый способ определения структуры потоков в аппаратах, отличающийся тем, что используются два различных по молекулярной диффузии индикатора, что позволяет увеличивать точность расчетов реакторов и улучшить их конструктивные особенности в ходе поискового конструирования.

3. Разработаны алгоритмы и программы расчетов для проектирования реакторов по двух- и многокомпонентной диффузионной модели с новым градиентным граничным условием, которое в отличие от известных, позволило получить аналитическое решение неоднородных дифференциальных уравнений второго порядка.

4. Разработан алгоритм и программа расчетов промышленного реактора с вариативным критерием Пекле, позволяющим снижать максимальные температурные нагрузки в зоне реакции и отличающийся тем, что при определенных условиях политропные реактора необходимо рассчитывать как модели с диффузионной структурой потоков, а не как модели вытеснения.

1 АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ ПРОМЫШЛЕННЫХ РЕАКТОРОВ С РАЗЛИЧНЫМИ СТРУКТУРАМИ ПОТОКОВ

В настоящее время при проектировании химических реакторов активно применяются различные средства автоматизированного проектирования и вычислительной техники, а также программы автоматизации технологических расчетов химических производств, такие как Hysys, Pro-II, Provision, ChemCad, AspenPlus, STX, ACX, HTFS (TASC, ÀCOL, FIHR, PIPE), Hextran, PipeSys и др., в которых используются методики расчета реакторов с безградиентными граничными условиями диффузионной модели структуры потоков на выходе из объекта, а также постоянном значением критерия Пекле по длине реактора. В то время как значение продольной диффузии, входящее в критерий Пекле, характеризующего структуру потоков, зависит от ряда параметров: коэффициента продольной диффузии Dh критерия Рейнольдса Re, профиля скорости v(r): D, - /[д о {г), Re]. Таким образом, современные САПР не могут в полной мере охватить технический этап проектирования, что вносит существенные отклонения в расчетах реального процесса.

При одинаковой производительности и степени конверсии объемы реакторов в зависимости от структуры потоков могут меняться в десятки раз.

Рассмотрим некоторые общие понятия, относящиеся к предмету данной работы и выделим область ее применёния.

Наука, которая занимается описанием химических реакций с учетом процессов массо- и теплопереноса, получила название макрокинетика (макроскопическая кинетика). Этот термин предложил известный отечественный ученый Д.А. Франк-Каменецкий. В основе описания макрокинетики и динамики ХП лежат дифференциальные уравнения движения вещества, импульса, энергии (и иных свойств материи) в физико-химическом процессе с учетом конвективного и турбулентного переноса вещества [1]

Химические реакторы - самый важный вид химической аппаратуры; главное, центральное звено химико-технологической системы. В них не только совершаются химические превращения, но и протекают сопутствующие процессы массо- и теплообмена и интенсивное движение среды.

Конструкции химических аппаратов весьма разнообразны и должны отвечать определенным требованиям для того, чтобы продукт получался высокого качества с минимальными затратами исходных веществ, энергии и труда.

От правильности выбора типа и конструкции реактора и режима его работы в наибольшей степени зависит эффективность и безопасность процесса.

К основным факторам, определяющим оптимальные конструктивные особенности реакторов относятся: кинетика химической реакции, побочные процессы, приводящие к нерациональному расходу сырья, требуются данные о теплоте, выделяющейся или поглощаемой в ходе реакции, о предельно возможной степени конверсии исходных веществ в продукты. Эффективность протекания реакции также зависит от вязкостей компонентов, взаимной растворимости исходных веществ и продуктов реакции, скоростей потоков и различного рода конструкций аппаратов и их узлов [2-8].

Одним из наиболее существенных факторов, в значительной степени определяющих конструкцию реактора, является тепловой эффект процесса, когда температурный режим в реакторе следует поддерживать в соответствии с требованиями кинетики, чтобы оптимизировать скорости реакции и выход целевого и побочных продуктов [9]. Как правило, тепловые эффекты химических и массообменных процессов приводят к тому, что при высоких концентрациях реагентов и высоких скоростях процессов очень трудно удержать температуру в реакторе в безопасных пределах [10].

Кроме того при проектировании химических реакторов одним из основных параметром, влияющим на выбор объема аппарата, а также геометрических размеров (диаметра и высоты), поверхности теплопередачи и прочих параметров оказывает структура потоков реакционной массы, которая характеризует

распределение частиц по времени пребывания в объекте и описывается вероятностными функциями распределения по времени пребывания (РВП).

Идеальные модели химических реакторов обычно с недостаточной степенью точности описывают структуру и гидродинамические свойства потоков в различных аппаратах химической техно