Введение к работе
Актуальность темы исследования.
Научная актуальность обусловлена созданием математического и программно-методического обеспечения САПР, позволяющего проектировать новые и совершенствовать конструкции действующих в технологических процессах химических реакторов.
Практическая актуальность связана с внедрением разработанных видов обеспечения САПР на промышленном предприятии ОАО «Каустик» г. Волгограда. В настоящее время при проектировании химических реакторов активно применяются различные средства автоматизированного проектирования и вычислительной техники, а также программы автоматизации технологических расчетов химических производств, такие как Hysys, Pro-II, ProVision, ChemCad, AspenPlus, STX, ACX, HTFS (TASC, ACOL, FIHR, PIPE), Hextran, PipeSys и др., в которых используются методики расчета реакторов с безградиентными граничными условиями диффузионной модели структуры потоков на выходе из объекта, а также постоянном значением критерия Пекле по длине реактора. В то время как значение продольной диффузии, входящее в критерий Пекле, характеризующего структуру потоков, зависит от ряда параметров: коэффициента продольной диффузии Dl, критерия Рейнольдса Re, профиля скорости (r): . Таким образом, современные САПР не могут в полной мере охватить технический этап проектирования, что вносит существенные отклонения в расчетах реального процесса.
При одинаковой производительности и степени конверсии объемы реакторов в зависимости от структуры потоков могут меняться в десятки раз.
Для примера на рис. 1 представлено отношение объемов реакторов с идеальными структурами потоков - смешения и вытеснения для простой элементарной реакции А В. Как следует из графика, при рабочей степени конверсии =0,95 отношения объемов реакторов достигает 6,5 раз.
Рис. 1
Поэтому актуальной задачей проектирования является максимально точное определение структуры потоков, составление математической модели, а также алгоритмов и программ расчета реакторов.
Работа выполнена в рамках г/б НИР № 28-53/441-12 «Моделирование гидродинамических, тепло- и массообменных процессов в химических реакторах».
Рис. 1
Цель работы – разработка математического и алгоритмического обеспечения для систем САПР, позволяющего повысить точность моделирования при автоматизированном проектировании конструкций химических реакторов.
Задачи исследования.
1. Провести анализ существующих конструкций химических реакторов и выявить параметры, влияющие на выбор конструкций аппаратов.
2. На основе применения математических методов и средств вычислительной техники повысить точность моделирования за счет создания новой диффузионной модели структуры потоков.
3. Составить алгоритмы и программы расчетов реакторов с двух- и многокомпонентной диффузионной структурой потоков, учитывающих новые градиентные граничные условия на выходе из объекта.
4. Разработать ряд перспективных технических решений конструкций химических реакторов на основе методов концептуального проектирования.
Область исследования – разработка и исследование моделей, алгоритмов и методов синтеза и анализа проектных решений, включая конструкторские и технологические решения в САПР.
Объект исследования – диффузионная модель структуры потоков в химических реакторах.
Предмет исследования – методы автоматизации проектирования реакторов химической промышленности с диффузионной моделью структуры потоков на базе физического и математического моделирования.
Гипотеза исследования – отношение градиентов концентраций компонентов реакции в диффузионной модели равно отношению градиентов концентраций этих компонентов в идеальном вытеснителе.
Методы исследования. При выполнения исследований и решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, аналитические методы расчета параметров моделей, эвристические методы анализа и синтеза задач, методы решения изобретательских задач, методы корреляционного анализа, объектно-ориентированное программирование.
Научная новизна.
1. Разработана и исследована двух- и многокомпонентная диффузионная модель структуры потоков, отличающаяся тем, что при моделировании учитываются дисперсии функций отклика и чисел Пекле каждого из реагирующих компонентов реакции, что позволяет определить оптимальные режимные параметры процессов и разработать высокоэффективные технические решения для промышленных реакторов.
2. Предложен новый способ определения структуры потоков в аппаратах, отличающийся тем, что используются два различных по молекулярной диффузии индикатора, что позволяет увеличивать точность расчетов реакторов и улучшить их конструктивные особенности в ходе поискового конструирования.
3. Разработаны алгоритмы и программы расчетов для проектирования реакторов по двух- и многокомпонентной диффузионной модели с новым градиентным граничным условием, которое в отличие от известного, позволило увеличить точность расчета объема реакторов на 20-30%.
4. Разработан алгоритм и программа расчетов промышленного реактора с вариативным критерием Пекле, позволяющим снижать максимальные температурные нагрузки в зоне реакции и отличающийся тем, что при определенных условиях политропные реактора необходимо рассчитывать как модели с диффузионной структурой потоков, а не как модели вытеснения.
Достоверность результатов.
Достоверность полученных результатов опирается на научные исследования российских и зарубежных авторов; собственные экспериментальные и теоретические исследования; подтверждена опытными и промышленными данными; обработкой результатов с использованием численных методов анализа, современных методов математического моделирования и опираются на известные и разработанные диффузионные математические модели структуры потоков в аппаратах.
Практическая ценность.
Предложена методика расчета химических реакторов с учетом зависимости структуры потоков от коэффициентов молекулярной диффузии каждого компонента реакции.
Разработаны и запатентованы варианты конструкций трубчатых реакторов и аппаратов с перемешивающими устройствами, проведены их расчеты и анализ на ЭВМ, позволяющие управлять гидромеханическими, тепло- и массообменными процессами.
Базой исследования послужил производственно-технологический процесс получения винилхлорида, осуществляемый на предприятии ОАО «Каустик» г.Волгограда.
Реализация и внедрение результатов работы.
По результатам работы получены акты внедрения на Волгоградском промышленном предприятии ОАО «Каустик» и в учебном процессе ВолгГТУ.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на восьми международных и трех всероссийских научных конференциях: VII международная конференция «Zprvy vdeck ideje» (Прага, 2011 г.), международная молодёжная научная конференция по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу – творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 2010 г.), XIX Менделеевский съезд по общей и прикладной химии (г. Волгоград, 2011 г.), всероссийская конференция с элементами научной школы для молодёжи «Неорганические соединения и функциональные материалы» (г.Казань, 2010 г.), Международная научная конференция «Математические методы в технике и технологии-24» (г. Пенза, 2011 г.), «Математические методы в технике и технологии-25» (г. Саратов, 2012 г.), XIV Международная научно-техническая конференция «Наукоемкие химические технологии-2012» (г. Тула, 2012 г.), 12-я Международная конференция (г. Самара, 2012 г.), Международная научно-практическая конференция молодых ученых «Актуальные проблемы современной науки: свежий взгляд и новые подходы» (г. Йошкар-Ола, 2012 г.) и др.
Публикации. По материалам выполненных исследований опубликовано 27 научных работ, в том числе 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 5 статей в научно-технических журналах, получен патент РФ на способ определения структуры потока в аппарате и 7 патентов на полезные модели конструкций реакторов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, содержащего 120 источников, приложений. Диссертация изложена на стр. машинописного текста, содержит 56 рисунков и графиков, 20 таблиц.
Соответствие паспорту научной специальности. Указанная область исследований соответствует специальности 05.13.12 - Системы автоматизации проектирования (промышленность) по пунктам 1, 2, 3 и 5.
Положения, выносимые на защиту.
-
Способ определения структуры потоков методом двух индикаторов с различными коэффициентами молекулярной диффузии.
-
Разработанная диффузионная модель структуры потоков с новым градиентным граничным условием.
-
Методика моделирования и проектирования реакторов по двух- и многокомпонентной диффузионной модели с градиентными граничными условиями на выходе из объекта, а также алгоритмы и программы расчета вышеуказанных реакторов на ЭВМ.
-
Технические решения, полученные на основе современных методов концептуального проектирования.
