CC BY
29
УДК 66.023.2
А. С. Конаков, А. А. Назаров, С. И. Поникаров
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИДРОДИНАМИКИ И НАГРЕВА РЕАКЦИОННОЙ СМЕСИ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ ВАКУУМНОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ
Ключевые слова: моделирование, вакуумное дегидрирование, изопрен, бутадиен, стирол.
Проведено моделирование гидродинамических и тепловых процессов при вакуумном дегидрировании бутана. Получена закономерность оптимального режима нагрева нагревательной и реакционной камер.
Keywords: modeling, vacuumdehydrogenation, isoprene, butadiene, styrene.
Modeling of hydrodynamic and thermal processes at vacuum dehydrogenation of butane is carried out. Regularity of an optimum mode of heating of heating and reactionary cameras is received.
В экспериментальной установке вакуумного дегидрирования, применяемого для получения изопрена, бутадиена, стирола[1-3] и др. нагрев греющей и реакционной камер осуществляется с помощью никель-хромовой проволоки, толщиной 1,5 мм, спирально обмотанной вокруг нагревательной трубы, защищенной от прямого контакта с металлом керамическими бусами. Важную роль играет характер гидродинамических и тепловых процессов, находящихся внутри газов.
В настоящей работе проведено моделирование гидродинамики и нагрева реакционной смеси в установке вакуумного дегидрирования бутана с использованием программного компонента AnsysCFX. Для моделирования гидродинамики использовалась модель турбулентности k-epsilon(standart), описываемая следующими уравнениями:
№и< )=
dt дх,-
д
дх,-
(
M +
Л
о.
д
д
+ Рк +РЬ~ pz-Ум +Sk
dt дхj
д
д
\
Mt
m + —
v
ds
дх.
+ <?1s J(Pk + СЪвР„)- °2sPY + Ss
Mt = pCu
Pk =-pu'iu] Pk =MtS2
т^-ды, дх,
Pb=P9i
Mt дТ
Pr, дх1
Для модели k-epsilon(standart) рекомендуемое значение Prí для газов составляет
0,85.Коэффициент теплового расширения 3 определяется как:
Да г)„
Константы модели:
Cs= 1-44:
^2s= 1-92;
^3s=-0.33;
Сц = 0.09; ак= 1.0; 1.3
Расчетная область разбивается на сетку в пре-процессореAnsys с максимальным линейным размером ячейки не более 5мм.
Рис. 1 - Часть сетки расчетной области
Граничные условия задавались следующие:
1. На вход подается 100% бутан с массовым расходом 0.0002804 кг/с.В расчетной области газ принимается идеальным. Данный расход определяется необходимостью нахождения реакционной смеси в зоне катализатора не более 1.5-2 секунд для максимизации образования целевого продукта и определяется расчетным путем. Температура газа задается 200С. Интенсивность турбулентности на входе составляет 5%.
2. На выходе задается пониженное давление, создаваемое вакуумными насосами и составляет 0.1 атм.
3. Нагрев никель-хромовой проволоки моделируется путем задания граничного условия на стенке в виде температуры равной 6000С.
Далее производится расчет численными методами при помощи решателя Ansys.
+
ь
В математической модели учитывался теплообмен теплопроводностью, конвекцией и радиационный теплообмен. Используется модель
радиационнойтеплопередачиRosseland.
В данной работе не учитывалось сопротивление создаваемое катализатором и хим. реакции. Результаты моделирования представлены на рис. 2-4.
Рис. 2 - Распределение температуры в установке
Рис. 3 - Распределение давления в установке
Вывод
Проведенное моделирование
позволитскорректировать оптимальный режим нагрева греющей и реакционной камер для проведения натурного эксперимента.
Литература
1. Приоритетные направления применения вакуума в технологиях дегидрирования углеводородного сырья./ Назаров А. А., Поникаров С. И., Конаков А. С. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 20. С. 262-264.
2. Получение бутадиена дегидрированием бутанов и бутиленов./Назаров А. А., Юлбарисов Д. Ф., Поникаров С. И. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 16. № 3. С. 95-98.
3. Получение стирола дегидрированием этилбензола./ Журавлева К. А., Назаров А. А. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 15. № 11. С. 149-152.
4. Получение изопрена путем дегидрирования изопентана и изоамилена./ Хакимуллин Р. Р., Назаров А. А., Вилохин С. А. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 15. № 16. С. 154-156.
5. Синтез изопрена из изобутилена и формальдегида./ Журавлева К. А., Назаров А. А., Поникаров С. И. // Вестник Казанского технологического университета. 2013. Т. 15. № 23. С. 36-38.
Рис. 4 - Распределение скоростей в установке
© А. С. Конаков - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; А. А. Назаров -к.т.н., доцент, той же кафедры, [email protected]; С. И Поникаров - д-р тех. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.
