СОДЕРЖАНИЕ
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИИ ВВЕДЕНИЕ _______
ГЛАВА I. КРАТКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
§11 Многокомпонентные многофазные потоки в горизонтальных,
НАКЛОННЫХ И ВЕРТИКАЛЬНЫХ ТРУБЧАТЫХ КАНАЛАХ___________________15
§ 1.2. Моделирование, конструирование и оптимизация химических
реакторов _____________________________________________________21
§ 1.3. Исследования кинетики химических реакций
§ 1.3.1 Кинетика каталитического гидрохлорирования этилена 21
.г . • О*.
§ 1.3.2. Кинетика каталитического хлорирования этилена 22
§1.3.3. Кинетика дегидрохлорирования дихлорэтана 23
ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ХЛОРИСТОГО ЭТИЛА В ТРУБЧАТОМ НАКЛОННОМ РЕАКТОРЕ
§ 2.1. Общие замечания_______________________________________ 27
§ 2.2. Уравнения сохранения масс _____________________________29
§ 2.3. Уравнение импульсов_____________________________________31
§ 2.4. Уравнение состояния___________________________________ 33
§ 2.5. Кинетика межфазного массообмена ______________________
§ 2.6. Уравнение энергии__________________________________________ 37
§ 2.7. Уравнения химической кинетики процесса гидрохлорирования
этилена 39
§ 2.8. Описание установки и задание начальных условий_____________41
§ 2.9. Результаты численного анализа._____________________________ 43
Заключение по главе II • 47
2
ГЛАВА 111. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА
ПОЛУЧЕНИЯ ДИХЛОРЭТАНА В БАРБОТАЖНОЙ КОЛОННЕ
§3.1. Описание установки, схема потоков в реакторе и основные
допущения _ 56
§ 3.2. Уравнения сохранения масс в случае раздельной подачи исходных
компонент_________________________________________________ _ 62
§ 3.3. Уравнение импульсов для ядра потока и пленки____________64
§ 3.4. Уравнение состояния ________________________________ 65
§ 3.5. Кинетика фазовых переходов для полидисперсной
газожидкостной смеси_________________________________________ 65
§ 3.6. Уравнение притока тепла для ядра потока_______________ 69
§ 3.7. Уравнения химической кинетики процесса хлорирования
этилена_____________________________________________________ 69
§3.8.0ценка скорости жидкости в ядре и задание начальных
УСЛОВИЙ______________________________________________________ 70
§3.9. Результаты численного анализа. _________________________ 73
Заключение по главе 111___________________________________ 75
ГЛАВА IV. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ В
I 'ИД РАВЛИЧЕСКОМ ПРИБЛИЖЕНИИ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ВИНИЛХЛОРИДА МЕТОДОМ ПИРОЛИЗА ДИХЛОРЭТАНА В ГАЗОВОЙ ФАЗЕ В ОБОГРЕВАЕМОМ КАНАЛЕ
§ 4.1. Схема реактора, характеристика течения в змеевике реактора,
основные допущения и замечания 86
§ 4.2. Уравнения сохранения масс в газовой фазе с учетом параллельных
химических реакций_____________________________________________ 87
§ 4.3. Уравнение импульсов для всех участков течения ___________ 88
§4.4. Уравнения притока тепл а для всех участков течения _______ 89
з
§ 4.5. Учет параллельных реакций в уравнениях химической
КИНЕТИКИ ___________ ______________________ ____________ 90
§ 4.6. Теплофизические свойства и химические константы _ __ 91
§ 4.7. Результаты численного анализа________________________91
Заключение по главе IV^__________________________________94
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ____________________________________________ 100
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ______________________________ 103
ПРИЛОЖЕНИЕ 1____________________________________________111
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ 112
4
СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ
б -размер шероховатостей стенок каната;
р е -приведенная плотность газовой фазы (масса газовой фазы в единице объема
-сечение каната приходящееся на газовую фазу (м2)\
1>£- скорость газовой фазы (^/);
^ V, - скорости пузырькову-ого типа и жидкостной фазы соответственно;
У%10) ■ СК0Р0СТЬ миграции пузырьков относительно ЖИДКОСТИ ~ V;) ;
/и, -массовый расход / - ой фазы через сечение канала ( *^/ );
/уг1(П- интенсивность перехода (растворения или испарения) из газовой фазы в жидкость /-ого компонента; отнсссшюю на единицу длины каната (кг/м-с)\
/[''и\) " интенсивность перехода /-ого компонента в (из) пузырек (а) /-ого вида, отнесенного на единицу длины канала (кг / м ■ с);
I/у,У)* = 12) - интенсивность вступления 1-ой компоненты в реакцию;
отнесенные к единице длины канала (кг/ м ■ с);
Iц - интенсивность образования целевого продукта (кг/ м-с); у - интенсивность массообмена отнесенная к одному пузырьку;
/и - интенсивность образования продукта; рассчитанная на единицу массы жидкой фазы;
/(,) - удельные теплоты фазовых переходов;
/сИ - теплота химической реакции;
т^} - массовые расходы фаз через сечение канала (#-&/); а,(л объемные содержания фаз; рг объемные расходные содержания фаз;
к^{1),к1(1) - массовая концентрация /-ой компоненты в газовой и жидкой фазе
соответственно (кт = р(^0 /р“ , к,(1) = Рд,)/р‘/);
/7 - число пузырьков в единице объема (л/л); о - радиус газовых включений (м);
£ - ускорение свободного падения (м/с2);
‘ СШ1а трения между газовой и жидкостной фазой и стенкой соответственно;
/5 - сила межфазного зрения;
- сила трения между двухфазным потоком и стенками канала;
В - радиус канала (м);
Ви - универсальная газовая постоянная (ДжIмоль-К)\ ц(/)-молекулярный вес /-ого компонента (кг!мопь)\
Р/- коэффициент динамической вязкости жидкой фазы (кг/ м-с); а - коэффициент поверхностного натяжения (Н / лг);
" концентрации для составляющих в состоянии насыщения; сх,су - удельные теплоемкости газовой и жидкостной фаз (Дж/кг.К);
интенсивность отвода тепла; рассчитанная на единицу длины канала (Вт! л/);
с]„ - теплоотвод с единицы поверхности;
Х1 - коэффициент теплопроводности (кг • м /с ' •/<*);
X/ - коэффициент температуропроводности ( л/:/с);
Т - текущая температура в реакторе (К);
Тс - температура охладителя (К); р - давление (Па);
КсИ - константа скорости реакций (с 1);
Безразмерные числа
- числа Шервуда;
Яе - число Рейнольдса;
А'и - число Нусселыа;
Рг - число Прандтля;
Ре - число 1 Іекле;
С(і} - постоянные Генри;
Си - числа Гамрати; г)(1\ті' 2і - безразмерные стехиометрические коэффициенты.
7
ВВЕДЕНИЕ
В диссертации построена математическая модель, описывающая движение многокомпонентных газожидкостных потоков в трубчатых каналах при наличии процессов растворения газовой фазы в жидкости, испарения жидкости, химических превращений с выделением тепла в жидкой фазе, применительно к ряду реакторов, используемым для получения хлорорганических продуктов
Значительный интерес исследователей к проблемам и задачам механики многофазных сред обусловлен интенсивным использованием таких систем в современной технике. При этом наиболее распространенными процессами в химической и нефтехимической технологии являются процессы растворения, испарения, химические превращения и связанные с ними тепловые эффекты в многокомпонентных потоках, носящие неравновесный характер. В качестве примера можно привести связанную цепочку процессов получения хлористою этила, дихлорэтана с последующим пиролизом последнего с целью получения винил хлорида.
Актуальность. Проблема теоретического моделирования трубчатых реакторов с многофазными системами, несомненно, является одной из актуальных проблем современной механики многофазных систем. Такие системы являются основными рабочими телами большинства химических реакторов. Однако подавляющее большинство научных работ по данной тематике используют упрощенные схемы. Математическое описание многокомпонентных газожидкостных потоков в таких реакторах требует точного корректного учета целого ряда гидродинамических и физико-химических явлений с тепловыми эффектами.
Одним из важнейших аспектов разработки эффективных реакторов для современной химической промышленности является выбор инженерных решений и оптимальных технологических условий эксплуатации реакторов, обеспечивающих максимальную производительность и качество продукта при
8
наименьших материалозагратах. Исследования на действующих установках основанные на непосредственных опытах с целыо определения оптимальности режимов работы являются неэффективными, неточными, дорогостоящими и опасными. В настоящее время математическое моделирование химических реакторов с помощью современной компьютерной техники стало основным методом создания реакторов и определения оптимальности их работы.
Особенностью протекания химических реакций в промышленных многофазных реакторах является зависимость интенсивности процесса от скорости подачи и смешения реагентов, скорости фазовых переходов, теплоотвода. Для жидкостных реакций характерна большая скорость. Так, например, при жидкофазном хлорировании и гидрохлорировании, когда реагенты подаются в виде газов, растворяются и вступают в реакцию в жидкой фазе, необходим учет неравновесных фазовых переходов. Очевидно, что в случае "быстрых" химических реакций скорость всего процесса лимитируется скоростью растворения газов в жидкости, которая в свою очередь в частности зависит от давления.
Анализ возможных осложнений при эксплуатации реактора, связанное с возможными отложениями на стенки реактора, испарением продукта реакции, с неполным растворением реагентов и, как следствие, выход большого количества не полностью прореагировавших веществ (абгазов), должен опираться на теоретическую модель, учитывающую совместное проявление отмеченных выше процессов (двухфазное течение с фазовыми переходами, химические реакции, теплообмен).
Цель работы. Разработка теоретических моделей процессов, происходящих при эксплуатации промышленных многофазных трубчатых реакторов, предназначеиных дня получения хлористого этила, дихлорэтана, винилхлорида, изучение на их основе различных технологических режимов эксплуатации, исследование влияния геометрических и режимных параметров на полноту
у
- Київ+380960830922