2.4.3. Пример выполнения задания

Задание

Провести расчет процесса окисления метанола в комбинированном реакторе (трубчатый + адиабатический) при следующих длинах трубчатой части реактора и адиабатической части реактора:

а) L_tube = 0,2 м; L_ad = 0,4 м;

б) L_tube = 0,1 м; L_ad = {0,5, 0,3} м.

Найти соотношение длин трубчатой и адиабатической части реактора, при которой удается получить высокую степень превращения. Определить оптимальную комбинацию реакторов для достижения степени превращения 99,9 %, если себестоимость метра трубчатого реактора больше, чем адиабатического. Максимальная температура не должна превышать 460^оС. Температурный профиль и профиль степени превращения метанола по длине слоя в трубчатой и адиабатической части реактора последовательно нанести на один график.

Дополнительные условия

1. Входные температуры и концентрации веществ в адиабатическом реакторе равны выходным значениям трубчатого реактора.

2. Расчет трубчатого реактора выполняется для одной трубки.

3. Общая поверхность сечения трубного пространства трубчатого реактора (1000 трубок) равна площади сечения адиабатического реактора. Из этого условия рассчитать диаметр и расход для адиабатического реактора.

Исходные данные для трубчатой части реактора

Длина слоя катализатора варьируется

Диаметр аппарата 810^-2 м

Порозность слоя 0,4

Давление 1 атм

Весовой расход газовой смеси 1,510^-3 кг/с

Температура на входе в реактор 230°C

Температура холодильника 280°C

Диаметр зерна катализатора 1 мм

Концентрации веществ (мольные доли) в исходной смеси

CH₃OH 1010^-2

CH₂O 0,0

H₂O 110^-2

O₂ 110^-1

Исходные данные для адиабатической части комбинированного реактора

Длина слоя катализатора варьируется

Диаметр аппарата (рассчитывается из условия 3, м)

Порозность слоя 0,4

Давление 1 атм

Весовой расход газ. смеси (рассчитывается из условия 3, кг/с)

Температура на входе в реактор (выходная температура из трубчатого реактора)

Температура холодильника 280°C

Диаметр зерна катализатора 1 мм

Концентрации веществ (концентрации веществ на выходе из трубчатого реактора)

Выполнение задания

Для данного задания первоначально рассчитываем трубчатую часть комбинированного реактора. 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 1 сек).

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 трубчатый 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 с помощью клавиши <Нормировка по инерту>.

4. 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». В пункте меню «Результаты» даны результаты расчетов.

1. 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).

2. Коэффициенты тепло- и массопереноса, а именно эффективный коэффициент радиальной теплопроводности, эффективный коэффициент диффузии по радиусу слоя и коэффициент теплообмена со стенкой.

3. Свойства реакционной смеси, такие как плотность и теплоемкость.

В пункте меню «Результаты\Температура по длине слоя» дан температурный профиль, а в пункте меню «Результаты\ Концентрации по длине слоя» – полученные концентрационные профили. В пункте меню «Результаты\Конверсия по длине слоя» приведен 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, данные берутся из файла «результаты» папки «Реактор\Данные». Запоминаются выходные значения температуры и концентраций веществ. Далее рассчитывается расход и диаметр адиабатической части комбинированного реактора по формулам (9)–(10). Рассчитывается адиабатическая часть комбинированного реактора по исходным данным из условия задачи для адиабатической части реактора, задавая в качестве входных значений температуры и концентраций веществ выходные значения из трубчатой части. Результаты расчета помещаются в таблицу и последовательно на графики. Меняется длина трубчатой части и проводится расчет для двух различных длин адиабатической части с целью определения оптимальной комбинации реакторов, позволяющей получить заданную степень превращения и снизить себестоимость реактора.

Результаты выполнения задания

В табл. 3 приведены значения максимальной температуры и общей степени превращения при различных длинах трубчатого и адиабатического реакторов. В комбинированном реакторе при L_tube = 0,2 м и L_ad = 0,4 м (L_all = 0,6 м) можно получить практически одинаковую степень превращения (99,97 %), что и в трубчатом реакторе длиной 0,6 м при тех же параметрах процесса (99,86 %).

Таблица 3

Влияние длин трубчатой и адиабатической частей комбинированного реактора на основные показатели процесса

Трубчатый реактор				Адиабатический реактор
L, М	Tmax, оС	Х, %	Тout, оС	L, м	Tmax, оС	Х, %	Хall, %
0,2	377	95,7	285	0,4	306	99,33	99,97
0,1	381	88,3	302	0,5	359	99,99	100
0,1	381	88,3	302	0,3	359	99,92	99,99

Рис. 19. Профиль температуры по длине комбинированного реактора. L_tube = 0,2 м, L_ad = 0,4 м

На рис. 19 приведен температурный профиль, полученный в комбинированном реакторе при общей длине 0,6 м (L_tube= 0,2 м и L_ad = 0,4 м), а на рис. 20  профиль степени превращения. Видно, что длину трубчатого реактора можно ещё уменьшить. При длине L_tube = 0,1 м и L_ad = 0,5 м (L_all = 0,6 м) мы получили 100 % степень превращения без перегрева слоя катализатора.

Рис. 20. Профиль степени превращения по длине комбинированного реактора. L_tube = 0,2м, L_ad = 0,4 м

Можно уменьшить также длину адиабатической части комбинированного реактора без существенного проигрыша в значении общей степени превращения. При L_tube = 0,1 м и L_ad = 0,3м (L_all = 0,4 м) Х_all = 99,99 %.

Таким образом, необходимое время контакта в комбинированном реакторе более чем в 1,5 раза меньше, чем в трубчатом реакторе при большей степени превращения.

На рис. 21 приведен температурный профиль по длине в комбинированном реакторе при L_tube = 0,1 м и L_ad = 0,3 м

(L_all = 0,4 м), а на рис. 22  профиль степени превращения. Так как себестоимость метра трубчатого реактора больше, чем адиабатического, то эта комбинация реакторов является оптимальной.

Рис. 21. Профиль температуры по длине комбинированного реактора. L_tube = 0,1 м, L_ad = 0,3 м

Рис. 22. Профиль степени превращения по длине комбинированного реактора. L_tube = 0,1м, L_ad = 0,3 м