2.3.2. Рекомендации по выполнению заданий

Аналогично заданиям по расчету адиабатического реактора все конструкционные и технологические параметры задания по расчету трубчатого реактора также задаются в пункте меню «Параметры».

Для сравнения режимов работы трубчатого и адиабатического реакторов необходимо, чтобы выполнялись следующие условия: площадь поперечного сечения всех трубок равна площади поперечного сечения адиабатического реактора, расход в адиабатическом реакторе равен расходу на все трубки в трубчатом реакторе. Поэтому диаметр трубки трубчатого реактора рассчитывается из условия:

; (7)

а расход на одну трубку трубчатого реактора из условия

G_tube = . (8)

Параметр «Опорная температура» (Т_ref) в пункте меню «Параметры\Дополнительно» представляет собой среднюю температуру в слое катализатора, при которой рассчитываются все теплофизические свойства смеси и коэффициенты тепло-, массопереноса.

Концентрацию инерта при вводе входных концентраций веществ в пункте меню «Параметры\Рабочие условия» можно не рассчитывать и не вводить, а ввести только концентрации остальных веществ и нажать клавишу <Нормировка по инерту>.

«Активность катализатора» в пункте меню «Параметры\Катализатор» может быть меньше 1, равна 1 и больше 1. Как и для адиабатического реактора это определяется тем, какой катализатор загружен в реактор. Аналогично при активности равной 1 в реактор загружен свежий катализатор, активность которого взята за эталон. Если активность меньше 1, то предполагается, что эталонный катализатор уже отработал часть своего срока службы, либо выбрана марка катализатора, менее активного в данном процессе. Если активность больше 1, то в реактор загружен более активный в данном процессе катализатор.

2.3.3. Пример выполнения задания

Задание

1. Рассчитать характеристики процесса окисления метанола в трубчатом реакторе (1000 трубок). Расчет производится для одной трубки. Диаметр одной трубки определяется из условия, что площадь сечения всех трубок равна площади сечения адиабатического реактора 2,53 м. Расход газовой смеси на 1 трубку определяется из общего расхода (на все трубки).

2. Определить степень превращения метанола на выходе из реактора и максимальную температуру в реакторе при заданных параметрах процесса.

3. Определить, как влияет увеличение расхода G на коэффициенты тепло-, массопереноса и показатели процесса:

G (общий расход на все трубки) = {0.3, 0.5, 1.5, 4.5, 13.5} кг/с.

4. Найти режимы, при которых степень превращения по метанолу не меньше 90 %, а максимальная температура не превышает 430°С.

5. Температурный профиль и профиль степени превращения метанола по длине слоя нанести на один график для двух вариантов расчета.

Исходные данные

Длина слоя катализатора 0,6 м

Диаметр аппарата (задавать рассчитанный диаметр одной трубки, м)

Порозность слоя 0,4

Давление 1 атм

Весовой расход газовой смеси (задавать рассчитанным на одну трубку, кг/с)

Температура на входе в реактор 230°C

Температура холодильника 280°C

Диаметр зерна катализатора 1 мм

Активность катализатора 1

Концентрации веществ (мольные доли) в исходной смеси

CH₃OH – 0,1; CH₂O – 0,0; H₂O  110^-2; O₂  110^-1.

Выполнение задания

Для данного задания первоначально рассчитывается диаметр одной трубки и расход на одну трубку по формулам (7)(8). Далее необходимо создать новый вариант в пункте меню «Вариант\Создать», набрать название варианта и нажать <OK>, после этого откроется список процессов, из которого необходимо выбрать процесс окисления метанола в формальдегид. Кинетика реакции и кинетические параметры приведены в разделе 3.1.3.

Затем задаются (диапазон допустимых значений по каждому параметру показывается в виде подсказки, если зафиксировать указатель мыши на числовом поле или на комментарии к параметру в течение 1сек.):

1. параметры катализатора в пункте меню «Параметры\Катализатор», а именно диаметр зерна катализатора и активность катализатора;

2. параметры реактора в пункте меню «Параметры\Реактор». Выбирается тип реактора. Задается длина и диаметр реактора, а также порозность слоя;

3. рабочие условия: давление, температура входа, температура стенки, расход реакционной смеси, состав исходной реакционной смеси, т. е. концентрации веществ. Внизу отображается сумма компонентов, которая должна быть равна единице. При невыполнении этого условия концентрации компонентов корректируются за счет инерта при нажатии клавиши <Нормировка по инерту>;

4. задается опорная температура в пункте меню «Параметры\Дополнительно»;

5. в пункте меню «Параметры\Вариант» можно изменить название варианта и написать некоторые комментарии.

Параметры задаются в размерностях, указанных в пакете. После того, как заданы все параметры, нажимается кнопка <OK>. В случае, если какие-либо из заданных значений параметров выходят за рамки указанных диапазонов, выдается сообщение с предложением исправить такие параметры, комментарии к которым будут окрашены красным цветом. Для выполнения расчета заданного процесса выбирается пункт меню «Счет». Результаты расчета даны в пункте меню «Результаты»:

 основные показатели процесса, а именно температура и степень превращения метанола в горячей точке и на выходе из слоя с координатой по радиусу равной нулю (центр слоя);

 коэффициенты тепло- и массопереноса, а именно эффективный коэффициент радиальной теплопроводности, эффективный коэффициент диффузии по радиусу слоя и коэффициент теплообмена со стенкой;

 свойства реакционной смеси, такие как плотность и теплоемкость.

В пункте меню «Результаты\Температура по длине слоя» приведен температурный профиль, а в пункте меню «Результаты\Концентрации по длине слоя»  полученные концентрационные профили. В пункте меню «Результаты\Конверсия по длине слоя» можно увидеть профиль степени превращения метанола по длине слоя. Значения максимальной температуры в слое и степени превращения на выходе заносятся в таблицу, набранную в текстовом редакторе WORD. Температурный профиль и профиль степени превращения по длине помещаются в графический редактор ORIGIN, используя данные из файла «Результаты» папки «Реактор\Данные». Далее меняется параметр расхода реакционной смеси, заново выбирается пункт меню «Счет» и обрабатываются результаты. Результаты второго и последующих вариантов расчета помещаются в таблицу и на графики. На графиках приводятся два наиболее представительных варианта расчета.

Результаты выполнения задания

В табл. 2 приведены значения максимальной температуры, степени превращения на выходе, коэффициентов тепло- и массопереноса, линейной скорости и времени контакта в зависимости от расхода газовой смеси.

Таблица 2

Влияние расхода газовой смеси на основные показатели процесса

G103, кг/с	Tmax, oC	Xout., %	w, ккал/м2сК	re103, ккал/мсК	Dre104, м2/с	с, с
13,5	311	58,3	0,33	28	4,09	0,28
4,5	332	91,9	0,28	8,3	1,5	0,86
1,5	370	99,8	0,26	3,5	0,614	2,5
0,5	416	100	0,25	2,1	0,324	7,6
0,3	420	100	0,25	1,8	0,27	12,9

Увеличение расхода газовой смеси приводит к снижению времени контакта, поэтому падает максимальная температура (рис. 12) и степень превращения на выходе (рис. 13). Кроме того, значение максимальной температуры уменьшается с ростом расхода еще и из-за того, что увеличиваются значения коэффициентов тепло-, массопереноса. Как было показано [3], составляющая коэффициента теплопроводности зернистого слоя, пропорциональная критерию Рейнольдса, приобретает существенное значение при Re_э > 50 вследствие развития конвективного перемешивания в слое с постоянным повышением степени турбулизации потока.

На рис. 14 приведены температурные профили по длине слоя при двух значениях расхода газовой смеси. Увеличение расхода приводит к снижению максимальной температуры (кривая 1). Температура на выходе из трубки при большем расходе на несколько градусов выше. Это объясняется тем, что при этом расходе газовой смеси значительное количество исходного вещества А не прореагировало в зоне максимальных температур и реагирует на выходном участке слоя, что приводит к повышению температуры (рис. 15).

Влияние расхода газовой смеси на коэффициенты тепло-, массопереноса показаны на рис. 16–18. Видно, что с увеличением расхода газовой смеси эти коэффициенты увеличиваются. Причем если радиальный коэффициент теплопроводности вырос в 16 раз при увеличении расхода в 45 раз (рис. 17, табл. 2), то коэффициент теплообмена с теплоносителем вырос только в 1,3 раза (рис. 16, табл. 2). Это объясняется тем, что вблизи от стенки трубки интенсивность турбулентных вихрей уменьшается, и пограничный

Рис. 12. Зависимость максимальной температуры от расхода газовой смеси

Рис. 13. Зависимость степени превращения от расхода газовой смеси

Рис. 14. Влияние расхода газовой смеси на температурные профили по длине слоя: 1 – G = 4,5 10^-3 кг/с; 2 – G = 1,5  10^-3 кг/с

Рис. 15. Влияние расхода газовой смеси на профили степени превращения по длине слоя: 1 – G = 4,5 10^-3 кг/с; 2 – G = 1,5  10^-3 кг/с

слой на стенке должен быть в значительной части ламинарным. Кроме того, число точек контакта с зернами на единицу поверхности стенки меньше, чем между зернами соседних, в радиальном направлении рядов, что также должно привести к повышению сопротивления теплопереносу у стенки трубки в области малых значений Re_э, где теплопроводность в значительной мере определяется переносом теплоты через твердую фазу и числом точек контакта между зернами.