МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ОКИСЛЕННЯ МЕТАНОЛА В ФОРМАЛЬДЕГІД В РЕАКТОРІ З АДІАБАТИЧНИМИ ШАРАМИ КАТАЛІЗАТОРА
Міністерство освіти і науки України
Одеський національний політехнічний університет
Хіміко-технологічний факультет
Кафедра органічних та фармацевтичних технологій
Протокол
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ОКИСЛЕННЯ МЕТАНОЛА В ФОРМАЛЬДЕГІД В РЕАКТОРІ З АДІАБАТИЧНИМИ ШАРАМИ КАТАЛІЗАТОРА
Студентки групи ХФ-122
Авраменко В.Г.
Викладач: Брем В.В.
Одеса 2015
МЕТА РОБОТИ:
• провести розрахунки полів концентрацій компонентів і температури в адіабатичних шарах каталізатора реактора для окислення метанолу в формальдегід, користуючись прикладними програмами;
• аналізуючи отримані результати, визначити технологічні параметри шарів каталізатора.
ЗАГАЛЬНІ ВІДОМОСТІ
У адіабатичному реакторі каталізатор розташований на декількох полицях, між якими знаходяться міжшарові теплообмінники, призначені для відведення тепла для екзотермічних процесів за допомогою зовнішнього теплоносія. Початкова газова суміш поступає на полицю з адіабатичним шаром каталізатора, де хімічний процес проходить без теплообміну з навколишнім середовищем. На виході з шару температура не повинна перевищувати максимально допустиму за умовами термостійкості для даного каталізатора. Схема такого реактора приведена на рис. 4.1а.
Розрахунок реактора з адіабатичними шарами каталізатора проводимо на прикладі процесу окислення метанолу в формальдегід на окисному залізо-молібденовому каталізаторі. У даному процесі протікають дві послідовні, практично безповоротні реакції:
СН3ОН + 1/2 О2 = НСНО + Н2О + (–H1) (4.1)
НCHO + 1/2O2 = CO + H2O + (–H2) (4.2)
Енергія активації першої реакції (4.1) помітно більше, ніж другий (побічної). Для цього випадку теоретично оптимальним режимом є ізотермічний режим при максимально допустимій температурі. Для даного каталізатора температурний діапазон роботи 220 – 365 °С.
На рис. 4.1б приведена характерна залежність зміни температури по шарам каталізатора.
При розрахунку параметрів каталітичних шарів адіабатичного реактора повинна застосовуватися відповідна математична модель процесу. Для розрахунку стаціонарних режимів в адіабатичному шарі каталізатора використовується модель ідеального витіснення.
Рис. 4.1. Моделювання процесу окислення метанолу в формальдегід в реакторі з адіабатичними шарами каталізатора: а – схема реактора, б – залежність зміни температури по шарам каталізатора
Для процесу окислення метанолу і формальдегіду, в якому протікають дві послідовні безповоротні реакції, система рівнянь має вигляд:
(4.3)
(4.4)
(4.5)
(4.6)
(4.7)
(4.8)
(4.9)
Граничні умови:
=0; Cм=Смвх; Сф=Сфвх; Св=Сввх; Ск=Сквх; Т=Твх. (4.10)
Початкові умови:
t =0: Cм= Cм(); Cф= Cф(); Cв= Cв(); Cк= Cк(); T=T(), (4.11)
де W1, W2 – швидкості основної і побічної реакцій на зерні каталізатора, моль/(м3с); См, Сф, Св, Ск – концентрація метанолу, формальдегіду, води, кисню, відповідно, моль/м3; Т – температура газу, К; - лінійна швидкість реакційної суміші, м/с; - поточна координата шару каталізатора в трубці, м; Cp – середня теплоємність реакційної суміші, кДж/( кгК); - середня густина реакційної суміші, кг/м3; qi - теплові ефекти реакцій, кДж/моль; К1, К2, К3, а1, а2, а3, в1,в2, в3, в4, в5, - параметри, що залежать від розміру зерна каталізатора.
Розрахунок процесів, що протікають в адіабатичному шарі каталізатора, проводиться з використанням програми «Адіабатичний реактор», що входить до складу програмного комплексу COMPLEX. Система рівнянь (4.3–4.11) вирішується методом Рунге-Кутта четвертого порядку точності з автоматичним вибором величини шагу по координаті.
Початкові дані записуються у виділені вікна панелі, а при переході до розрахунку нового варіанту необхідно виправити значення тільки тих величин, які змінюються. Результати розрахунку виводяться на екран монітору. Можливий запис результатів на диск, але для цього необхідно указати ім’я файлу.
Методика розрахунків полів концентрацій і температури для адіабатичного шару приведена у лабораторній роботі №1. При аналізі отриманих результатів для адіабатичного шару вибирається такий час контакту, при якому досягається задана ступінь перетворення для даного шару. При цьому необхідно пам’ятати, що температура в шарі каталізатора не повинна перевищувати допустиму, але кращі технологічні параметри (селективність і вихід цільового продукту) буде мати реактор з більш високими вихідними температурами з кожного шару каталізатора.
Час контакту і умови проведення процесу в останньому шарі каталізатора вибирають по максимальному виходу цільового продукту з урахуванням обмежень по максимально допустимій температурі.
Для процесів з послідовних реакцій максимальному виходу проміжного продукту відповідає максимум його концентрації, тому можна користуватися концентрацією формальдегіду для вибору варіантів останнього шару каталізатора. У роботі обов’язково необхідно довести, що вдалося досягнути максимуму по концентрації формальдегіду. У кожній точці, що знаходиться поблизу екстремуму, треба розрахувати вихід продукту за формулою
B = X · Sel (4.12)
По максимуму виходу визначають оптимальну ступень перетворення, яка може відрізнятися від заданої. Таким чином вирішується задача вибору оптимального часу контакту і ступеня перетворення в реакторах такого типу.
Отримані результати розрахунків на ЕОМ процесу в шарах каталізатора дозволяють однозначно визначити всі основні технологічні параметри – склад і температуру суміші на вході в апарат, час контакту по шарах, склад і температуру реакційної суміші на виході з кожного шару каталізатора і на виході з реактора, безрозмірні характеристики хімічного процесу – ступінь перетворення, селективність і вихід цільового продукту. Ці дані використовуються на подальших етапах проектування технологічної схеми і самого реактора.
3. МЕТОДИКА ВИКОНАННЯ РОБОТИ
1. Для заданого складу реакційної суміші ( за початковим даними табл. 4.1 і 4.2) оцінити необхідну кількість шарів адіабатичного реактора за формулою:
N = Тад / Тдоп ,
Де Тдоп = Тмах – Твх – допустима зміна температури в шарі каталізатора; Тад=(–H)c0/(cp·)·Х – адіабатичний розігрів суміші; град; –H = 160 кДж/моль; Ср = 1,383 – теплоємність реакційної суміші, кДж/( кг К); = 1,29 –густина реакційної суміші, кг/м3; С0 – концентрація метанолу на вході в реактор, моль/ м3.
За технологічними умовами приймаються наступні температури на виході з шарів каталізатора (Тмах): для 1 шару – 340 0С; для 2 шару – 3500С; для 3 і подальших шарів – 3550С. Тоді при температурах входу 230–2500С допустима зміна температури в шарі каталізатора складе Тдоп = (90–110) °С. Величину адіабатичного розігріву необхідно розрахувати за початковим даними свого варіанту, приймаючи Х = 0,995.
2. Розрахувати реактор при умові завантаження у всі шари зерен каталізатора одного розміру – 6 мм. Підбір часу контакту в кожному шарі здійснюється при варіюванні температури входу (Твх). Загальна ступінь перетворення в реакторі повинна бути не менше за 0,990. Ступінь перетворення в одному шарі дорівнює відношенню загального ступеня перетворення в реакторі до кількості шарів каталізатора. Визначити максимальний вихід формальдегіду і оптимальну ступень перетворення.
3. Розрахувати реактор при умові завантаження в шари зерен каталізатора різного розміру: 1 шар – 6 мм; 2 шар – 4 мм; 3-й і подальші шари – 2 мм при тих же умовах (див. п.2). Визначити вихід формальдегіду.
4. Порівняти максимальний вихід формальдегіду двох варіантів завантаження каталізатора в реакторі.
Хід роботи:
1)Розрахунок необхідної кількість шарів адіабатичного реактора
|
Речовина
|
Початкова концентрація
|
|
Метанол
|
2,6
|
|
Формальдегід
|
0,0
|
|
Кисень
|
3,5
|
|
Вода
|
1,2
|
Розрахунок адіабатичного розігріву суміші
1 ) ; х=0,995 1
2)
Кількість шарів повинна бути цілим числом тому округлюємо до найближчого цілого.
N=3
2)Розрахунок кожного шару реактора
1 шар х=0,34; =340 °С
2 шар х=0,68; =350 °С
3 шар х=0,995; = 355 °С
1 слой
|
|
|
Х
|
Sel
|
t
|
|
220
|
530,38
|
1
|
0,979
|
0,5
|
|
220
|
327,26
|
0,343
|
0,973
|
0,295
|
|
230,05
|
340
|
0,347
|
0,975
|
0,244
|
См=1,69; Сф =0,888; Св=2,132; Ск=3,034
2слой
|
|
|
Х
|
Sel
|
t
|
|
235,5
|
316,975
|
0,6
|
0,962
|
0,238
|
|
240,5
|
347,29
|
0,68
|
0,962
|
0,241
|
|
242
|
349,5
|
0,683
|
0,963
|
0,234
|
См=0,832; Сф=1,703; Св =3,033; Ск =2,583;
3 слой
|
|
|
х
|
Sel
|
t
|
|
260
|
330,48
|
0,884
|
0,948
|
0,255
|
|
240
|
282,282
|
0,799
|
0,955
|
0,267
|
|
250
|
308,67
|
0,847
|
0,947
|
0,269
|
|
236,1
|
355
|
0,995
|
0,919
|
0,756
|
См=0,014; Сф=2,379; Св =3,994; Ск=2,102
2 слой
|
|
|
х
|
Sel
|
t
|
|
231
|
332,65
|
0,667
|
0,966
|
0,232
|
|
231,6
|
337,48
|
0,681
|
0,996
|
0,232
|
|
240
|
350,504
|
0,697
|
0,968
|
0,190
|
См=0,788; Сф=1,755; Св=3,069; Ск=2,102
3 слой
|
|
|
х
|
Sel
|
t
|
|
234,8
|
347,704
|
0,999
|
0,928
|
0,482
|
|
221
|
245,38
|
0,765
|
0,959
|
0,295
|
|
249,3
|
354
|
0,995
|
0,944
|
0,285
|
См=0,228; Сф=2,357; Св=5,887; Ск=0,007
3)Розрахуємо вихід формальдегіду
Вих1=хSel=0,9950,919 =0,914
Вих2 = хSel=0,9950,944=0,94
1 слой D=6мм
|
х
|
t
|
|
0,0
|
0,0
|
|
0,015
|
0,027
|
|
0,036
|
0,058
|
|
0,077
|
0,094
|
|
0,106
|
0,128
|
|
0,160
|
0,161
|
|
0,210
|
0,184
|
|
0,279
|
0,206
|
|
0,347
|
0,978
|
2 слой D=6мм
|
Х
|
Sel
|
|
0,35
|
0
|
|
0,368
|
0,028
|
|
0,392
|
0,061
|
|
0,427
|
0,098
|
|
0,470
|
0,133
|
|
0,527
|
0,168
|
|
0,602
|
0,204
|
|
0,663
|
0,227
|
|
0,683
|
0,234
|
3 слой D=6мм
|
х
|
Sel
|
|
0,68
|
0
|
|
0,708
|
0,053
|
|
0,733
|
0,154
|
|
0,790
|
0,28
|
|
0,850
|
0,393
|
|
0,906
|
0,464
|
|
0,962
|
0,582
|
|
0,983
|
0,658
|
|
0,995
|
0,756
|
2 слой D=4мм
|
х
|
Sel
|
|
0,35
|
0
|
|
0,359
|
0,013
|
|
0,374
|
0,032
|
|
0,390
|
0,049
|
|
0,412
|
0,07
|
|
0,437
|
0,089
|
|
0,548
|
0,146
|
|
0,604
|
0,165
|
|
0,697
|
0,19
|
3 слой D=2 мм
|
х
|
Sel
|
|
0,697
|
0
|
|
0,708
|
0,02
|
|
0,727
|
0,048
|
|
0,747
|
0,074
|
|
0,778
|
0,105
|
|
0,833
|
0,148
|
|
0,904
|
0,191
|
|
0,987
|
0,262
|
|
0,955
|
0,285
|
МОДЕЛЮВАННЯ ПРОЦЕСУ ОКИСЛЕННЯ МЕТАНОЛА В ФОРМАЛЬДЕГІД В РЕАКТОРІ З АДІАБАТИЧНИМИ ШАРАМИ КАТАЛІЗАТОРА