РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-АЛГОРИТМИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТРУБЧАТЫХ РЕАКТОРОВ

Боровкова Екатерина Александровна, аспирантка, Российский химико-технологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва

Гартман Томаш Николаевич, доктор технических наук, профессор, Российский химикотехнологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва

Советин Филипп Сергеевич, кандидат технических наук, Российский химикотехнологический университет им. Д.И.Менделеева, Москва

Аннотация

С применением системы компьютерной математики (СКМ) MatLab разработано и реализовано программно-алгоритмическое обеспечение для моделирования и масштабирования процессов в высокотемпературных трубчатых реакторах органического синтеза с простой и сложной кинетической схемой реакций. Проверка работоспособности разработанного программного обеспечения проведена на примере моделирования реакторного узла процесса ароматизации легких алканов  (пропан-бутановой смеси) с более чем 25 гетерогеннокаталитическими реакциями  и показала удовлетворительные результаты при расчете опытного реактора с катализатором РГУНГ-А массой 1000 г.

Ключевые слова: алгоритм, кинетические константы, трубчатый реактор.

Keywords: algorithm, kinetic constant, tubular reactor

Крупнотоннажные производства нефтехимического комплекса, использующие в качестве сырья и топливно-энергетических ресурсов большие объемы нефти и природного газа, а также попутного нефтяного газа представляют собой сложные непрерывные энерго- и ресурсоемкие химико-технологические системы. Для подготовки исходных данных для проектирования указанных производств требуется применение специальных подходов, а также процедур и алгоритмов компьютерного моделирования химических реакторов с гетерогенно-каталитическими реакциями в газовой фазе. Наиболее быстрое и эффективное решение перечисленных задач может быть получено при выполнении следующих условий: корректная инженернотехнологическая постановка исходной задачи анализа всех процессов химического производства; разработка специальных подходов, процедур и алгоритмов компьютерного моделирования химических реакторов и химико-технологических систем для компьютерного анализа различных вариантов технологического и конструкционного оформления химико-технологических процессов и систем.

Для моделирования кинетики газофазных гетерогенно-каталитических реакторов был разработан и реализован алгоритм процедуры нахождения кинетических констант с применением системы компьютерной математики (СКМ) MatLAB. Отличительными особенностями этого алгоритма являются:

  • применение алгоритма для процессов, как с простой, так и со сложной кинетической схемой;
  • использование прямого или косвенного критерия рассогласования;
  • применение алгоритма для процессов, как с одновременно протекающими, так и последовательно-параллельными реакциями;
  • использование для определения кинетических констант различных алгоритмов расчета, в зависимости от сложности кинетики, в частности комбинированных методов типа Хука-Дживса, деформированного многогранника и случайного поиска. Блоксхема алгоритма расчета по методу деформированного многогранника представлена на рис.1.

Рис. 1. Блок-схема алгоритма нахождения кинетических констант уравнений реакций.

Рис. 1.  Блок-схема алгоритма нахождения кинетических констант уравнений реакций.

В соответствии с предложенным алгоритмом минимизации целевой функции (рис.1) определение кинетических констант проводится на основании экспериментальных данных с небольшим объемом катализатора (1-3 грамма) при изотермических условиях.

С найденными значениями кинетических констант проводилось моделирование сначала лабораторного реактора (небольшой объем катализатора), а затем опытного реактора с 1000 г. катализатора в политермических условиях.

Для расчета высокотемпературного трубчатого реактора были приняты основные допущения:

1.Поток в трубках описывается моделью идеального вытеснения;

2.Поток теплоносителя в межтрубном пространстве описывается моделью идеального смешения;

Текст На рис.2

 

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета высокотемпературного трубчатого реактора

Рис. 2. Блок-схема алгоритма расчета высокотемпературного трубчатого реактора

Установлено, что для расчёта опытного реактора ароматизации лёгких алканов целесообразно подавать технический пропан с расходом W=0.83 г/(ч*г.кат.), температурой  =600°C и температурой дымовых газов = 615°C.

Результаты расчёта опытного реактора приведены в табл. 1., а изменения концентраций компонентов по длине интегрируемого участка на рис. 3.

Рис. 3. Изменение концентраций компонентов по длине трубки. 1 – метан, 2 – этан,

Рис. 3. Изменение концентраций компонентов по длине трубки. 1 – метан, 2 – этан,  3 –пропан, 4 – бутан,  5 – этилен, 6 – пропилен, 7 – бутен, 8 – водород, 9 – бензол,      10 – толуол, 11 – ксилол, 12 – нафталин.

Таблица 1. Результаты расчёта реактора ароматизации лёгких алкановТаблица 1. Результаты расчёта реактора ароматизации лёгких алканов

Заключение

  1. Реализован эффективный алгоритм нахождения кинетических констант газофазных гетерогенно-каталитических реакций, как со сложной, так и с простой кинетической схемой.
  2. Реализован алгоритм расчета высокотемпературного трубчатого реактора ароматизации легких алканов.
  3. С применением разработанных алгоритмов определены технологические и режимные параметры для опытного реактора ароматизации легких алканов.

Список литературы

  1. Gartman T.N, Sovetin F.S., Proskuro E.A., Shvets V.F., Kozlovskiy R.A., Suchkov Y.P, Sapunov V.N., Loktev A.S., Levchenko D.A., Dedov A.G. Computation of the Solid Catalyzed Gas Phase Reactions with a Simultaneous Choice of the Scheme of the Reactions for Different Composition of the Initial Reaction Mixture // Chemical engineering transactions. Vol. 39. 2014. p.1009-1014
  2. Гартман Т. Н., Проскуро Е А., Советин Ф.С. Моделирование газофазных гетерогеннокаталитических реакций с квазигомогенным описанием кинетических зависимостей // Сборник трудов IX Международного конгресса молодых учёных по химии и химической технологии МКХТ 2013. XXVII, № 8 (148). 30 октября – 1 ноября. Москва 2013 г. стр. 135-136.
  3. Семиохин И. А., Страхов Б. В., Осипов А. И. Кинетика химических реакций. М. МГУ. 1995. 351 с.
  4. Балаев А.В., Григорьева Н.Г., Хазипова А.Н., Кутепов Б.И., Джемилев У.М. Кинетическая модель димеризации α-метилстирола в присутствии высокомодульного цеолита Y // Нефтехимия. Т. 52. № 6. 2012. С. 459-465.
  5. Новичкова А.В., Масков Д. Ф.,. Бобренёва ю. О, Губайдуллин И. М. Построение и оптимизация кинетических моделей реакции синтеза N-(адамантил) ацетамида на основе информационноаналитической системы «CHEMKINOPTIMA» //Башкирский химический журнал. 2013г. Т. 20. №3. С. 63-70.

Post a comment

Book your tickets