ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2009, том 43, № 6, с. 702-712
УДК 519.673:620.9.97
ОПЫТ ПРИМЕНЕНИЯ ПРОГРАММЫ СИЕМСЛБ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ РЕАКТОРНЫХ ПРОЦЕССОВ
© 2009 г. Т. Н. Гартман, Ф. С. Советин, Д. К. Новикова
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва
gartman@muctr.ru Поступила в редакцию 02.06.2009 г.
Предлагается стратегия разработки компьютерных моделей процессов химических превращений в реакторах, ориентированная на применение моделирующих программ и моделирование многостадийных химико-технологических процессов с большим числом единиц оборудования, включающих реакторные узлы. Представленная стратегия позволяет на основе обработки экспериментальных данных моделировать гомо- и гетерогенные процессы в реакторах любой сложности. С использованием программы СНЕМСАО проведено моделирование реакторных процессов в многостадийных производствах получения метанола и синтетического жидкого топлива из природного газа для следующих стадий: получение синтез-газа парокислородной конверсией, синтез метанола, синтез углеводородов по реакции Фишера-Тропша, гидрокрекинг тяжелых углеводородов.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время при проектировании ресурсосберегающих технологий химики-технологи проявляют большой интерес к разработке компьютерных моделей реакторных процессов и их применению при моделировании и оптимизации технологических схем производственных процессов [1]. Современный подход к созданию ресурсосберегающих технологий предполагает применение программ для моделирования полных многостадийных технологических схем производств, в частности реакторных процессов.
Построение моделей процессов в химических реакторах с применением моделирующих программ и с целью их включения в модели полных технологических схем производств накладывает определенные требования на процедуру их разработки [2].
Это связано как с особенностями задания значений параметров для стандартных расчетных модулей моделирующей программы, так и с нацеленностью последних на расчет не отдельных единиц оборудования, а на моделирование полных технологических схем производств. В соответствии с основополагающими принципами системного анализа расчет реакторных узлов должен выполняться совместно с процессами в других аппаратах технологической схемы производства [3].
Традиционная методика математического моделирования реакторных процессов основывается на использовании детальных кинетических моделей. Решению задач такого типа посвящены работы [4-6].
Однако для многих процессов кинетические данные могут отсутствовать или их кинетика изучена недостаточно. Кроме того, при математическом
моделировании многостадийных химических производств с рециклическими (обратными) потоками может наблюдаться численная несходимость как расчета отдельного реакторного процесса, так и расчета полной технологической схемы, содержащей реакторные узлы. Поэтому для моделирования реакторных узлов в химических производствах с большим числом единиц основного и вспомогательного оборудования целесообразно отказаться от применения подробных кинетических моделей реакторных процессов.
Нами предлагается для моделирования реакторных процессов применять не детальные кинетические модели процессов в реакторах, а приближенные модели, в которых заданы конверсии ключевых реагентов для каждой реакции. При таком подходе обеспечивается необходимая точность вычислений материальных и тепловых балансов, а также численная устойчивость расчета многостадийных технологических схем, что позволяет с высокой степенью надежности решать задачи компьютерного моделирования, оптимизации и синтеза энергоресурсбергающих химических производств.
Для расчета материальных и тепловых балансов реакторных процессов используются стандартные расчетные модули (в дальнейшем они называются просто модулями) пакета СНЕМСАО [7]: модули реакторов, оперирующие с конверсиями ключевых реагентов всех протекающих реакций; модуль передачи тепловой нагрузки, позволяющий рассчитывать подвод или отвод тепловых потоков, в том числе от/к другим единицам оборудования технологической схемы.
В соответствии с этим стратегия расчета реакторных процессов с применением моделирующих
программ при построении компьютерных моделей полных технологических схем химических производств заключается в следующем: 1) указание сте-хиометрических данных для каждой реакции; 2) задание конверсий ключевых реагентов для каждой реакции, которые могут быть определены по экспериментальным данным, заимствованным из [811]; 3) расчет реакторного процесса с определением расхода, состава, температуры и других характеристик выходного потока [12], а также определение требуемого расхода теплоносителя (или хладоаген-та), если требуется подводить/отводить тепло [12]. Так решается прямая задача компьютерного моделирования реакторных процессов.
Для решения обратной задачи компьютерного моделирования и определения кинетических констант химических реакций [12] в моделирующей программе (например, в СИБМСЛБ) предлагается определять параметры приведенного ниже уравнения (1), исходя из экспериментальных данных, по выходным параметрам периодического реактора идеального перемешивания либо для гомофаз-ных реакций (протекают в жидкой или паровой фазе) либо гетерофазных реакций (протекают в присутствии твердой фазы, в частности катализатора) [12, 13]:
Г = X ^А
ц = 1
-Е/ЕТ
е х
ХП ^ к = 1
Г "ц 1 + !фк
Ек/ЕГ Ъц е ' Ск-
к=1
-в
(1)
, ц = 1 , 2 , ... , 5,
г = 1, 2, ..., т
где гг - скорость реакции по г-му компоненту, к - индекс реагента; ц - индекс для стадии реакции; Щ -стехиометрический коэффициент для г-го компонента в ц-й стадии реакции (для реагентов имеет место отрицательный знак, а для продуктов - положительный), Ац - частотный фактор ц-й стадии реакции; Ец - энергия активации ц-й стадии реакции; Е -универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура реакции; ск - концентрация реагента (или парциальное давление реагента, если реакция идет в газовой фазе); акц - степенной фактор для регента к в ц-й стадии реакции; т - количество компонентов, " - количество реагентов; 5 - количество стадий; Фкц - частотный фактор адсорбции для компонента к; Ец - энергетический фактор адсорбции для компонента к в ц-й стадии реакции; Ъкц - степенной фактор адсорбции для реагента к в ц-й стадии реакции; в - степенной фактор адсорбции ц-й стадии реакции.
При этом вычисляются параметры уравнения (1): энергия активации Ец реакции, энергетический фактор адсорбции компонентов Ец , частотный
фактор реакции А, частотный фактор адсорбции компонентов Фкц, а также степенные факторы реагентов реакции акц и адсорбции Ъкц (ц = 1, 2, ..., 5, к = 1, 2, .,").
Определение вышеперечисленных параметров осуществляется минимизацией обобщенного критерия вида [14]
N г т
V""1 V""1 с, расч экспч 2 V,трасч т 7экспч 2
°г = X ср.- - сл ) + а (- У; ) +
г = 1 = 1
Т / тграсч ттэксп ч2 х-чрасч х-чзксп-ч2 /^Л
+ а (Тр - Т ) + а (01 - ) + (2)
+ а0 (орасч - еэх2
где ас, аУ, аТ, а Е, а0 - весовые коэффициенты слагаемых критерия, N - число экспериментальных точек, Сцг - концентрацияц-го компонента (ц = 1, 2, ..., т), V - объем реакционной массы, Т1 - температура реакционной массы, 0К - скорость выделения тепла в реакторе, 0 - накапливаемая теплота за счет протекания химической реакции (г = 1, 2, ...,
При отсутствии экспериментальных данных, входящих в уравнение (2), слагаемое с отсутствующими экспериментальными значениями исключается из критерия, и критерий определяется по ограниченному числу слагаемых.
Поверочно-оценочный расчет реакторного про-ц е сса м о жжет выпол няться с использованием указанных кинетических констант при задании идеализированных гидродинамических моделей движущихся потоков фаз, в результате чего могут быть определены конверсии ключевых реагентов всех химических реакций.
Однако, как было указано, такой подход не всегда оправдан, особенно в случае наличия ограниченных стехиометрических данных и отсутствия достоверных кинетических данных.
Для расчета реакторных процессов в аппаратах с учетом их конструкций и реальной гидродинамики потоков фаз предлагается использовать конверсии реагентов для основных реакций, протекающих в реакторе. В общем случае конверсии для рассматриваемого процесса могут быть известны либо могут быть найдены. Если принять допущение, что в реакторе достигается химическое равновесие, то конверсии могут быть определены по данным равновесных составов реакционных смесей или рассчитаны по уравнениям зависимостей констант равновесия от температуры [15, 16]. Если равновесие не достигнуто, то найденные таким образом конверсии следует умножить на корректирующие коэффициенты, справедливые для данного типа реактора и для заданных значений входных параметров (температуры, давления, расхода сырьевых пото-
5
п
Таблица 1. Значения заданных конверсий для реагентов, при моделировании реактора предриформинга для реакций (3)-(5)
Реагент(ы) Реакция У
СН4 (3) 0.05
С2^ С3Н8 н-С4Н№ н-С5H12, н-С6H14, 1-С6Н12 (4) 1
СО (5) 0.05
ков, типа катализатора и др.). Для реакторов, в которых достигается химическое равновесие, значения корректирующих коэффициентов для всех реакций равны 1.
Определение значений корректирующих коэффициентов или произведения конверсий на корректирующие коэффициенты (в дальнейшем их целесообразно называть просто конверсиями) осуществляется исходя из опытных данных о выходных потоках реакторов, получаемых в процессе экспериментов на пилотных, полупромышленных и/или промышленных установках.
Необходимо подчеркнуть, что при отсутствии экпериментальных данных о функционировании промышленной установки при заданной производительности можно использовать опытные данные, полученные в экспериментах на пилотной или полупромышленной установке после выполнения масштабного перехода [17].
При расчете тепловых балансов для учета подводимых (отводимых) тепловых потоков реакторных процессов в моделирующей программе СНЕМСАО реализуется узел технологической схемы, включающий различные комбинации модулей теплообменников и специальных модулей для пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.