Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 7
1.1. Основные закономерности химических превращений в системе газ-жидкость 7
1.2. Классификация газожидкостных реакторов 12
1.3. Газлифтный реактор 14
Конструкции газлифтных реакторов 15
Гидродинамика в газлифтных реакторах 16
Структура газожидкостного потока 16
Распределение давлений а газлифтном реакторе 18
Скорость циркуляции жидкости в газлифтном реакторе 20
1.4. Математическая модель реактора идеального вытеснения 25
Математическое моделирование химической реакции на слое катализатора 26
Математические модели многофазных систем 27
1.5. Математическая модель проточного реактора с перемешиванием 30
Множественность стационарных состояний реакторов с мешалкой 32
Математическая модель с учетом температурной зависимости 34
Устойчивость режимов работы химических реакторов 39
Стационарные состояния и устойчивость 40
1.6. Множествеппость стационарных состояний и устойчивость работы газожидкостных реакторов 42
Число и устойчивость стационарных режимов газожидкостных реакторов 43
1.7. Выводы 50
Глава II. Математическое моделирование газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора . 52
II.1. Устройство и принцип действия реактора 52
II.2. Упрощенная математическая модель газлифтного реактора 53
Нахождение производительности газлифтного реактора
Глава III. Изучение устойчивости газожидкостного реактора непрерывного действия с мешалкой с учетом влияния температуры на растворимость газа 70
III.1. Математическая модель газожидкостного реактора непрерывного действия с мешалкой, учитывающая влияние температуры на растворимость газа 71
ІІІ.2. Результаты решения математической модели. Нахождение области множественности стационарных состояний реактора 73
III.3. Явление гистерезиса в газожидкостном реакторе с учетом влияния температуры на растворимость газа 77
III.4. Определение условий множественности стационарных состояний реактора 79
III.5. Исследование устойчивости стационарных состояний реактора 85
Заключение 96
Список литературы 98
Приложение 106
- Скорость циркуляции жидкости в газлифтном реакторе
- Число и устойчивость стационарных режимов газожидкостных реакторов
- Упрощенная математическая модель газлифтного реактора
- Результаты решения математической модели. Нахождение области множественности стационарных состояний реактора
Введение к работе
Глубокая переработка углей требует разработки эффективных технологий получения из угля продуктов топливного и химического назначения- Такие технологии могут быть реализованы в многофазных реакторах различных типов. Одними из примеров газожидкостных реакторов являются реактор с мешалкой, который широко используется в настоящее время в промышленности и газлифтный реактор с неподвижным слоем катализатора. Он прост и надежен в эксплуатации и является саморегулирующим, то есть не требует регулировки расхода газа. Уникальность этого аппарата заключается в том, что наряду с химической реакцией на слое катализатора, в нем происходит предварительное насыщение жидкой фазы водородом, что обеспечивает интенсивное протекание химической реакции. Процесс растворения водорода, его содержание в жидкой фазе в значительной мере определяет протекание газожидкостного процесса ожижения угля. Комплексное исследование этого процесса, поиск условий эффективного его проведения в газожидкостных реакторах невозможно без построения математических моделей этих реакторов, которые бы в полной мере отражали роль растворенного газа при протекании" газожидкостных процессов. Результаты математического моделирования процессов ожижения углей в газожидкостных реакторах можно использовать для совершенствования технологии и повышения эффективности работы данного оборудования,
К настоящему времени хорошо известны математические модели структуры потоков, возникающих в элементах химических реакторов при движении фаз. Это математическая модель потока идеального вытеснения, основу которой составляет система дифференциальных уравнений и математическая модель потока идеального смещения, в стационарных условиях> представляющая собой систему алгебраических уравнений. Достоинством этих моделей является их простота, однако по причине сложности физико-химических процессов, протекающих в газожидкостных реакторах, эти модели
не могут отражать реальной картины проведения процесса. Большего приближения к реальным свойствам системы можно достичь комбинацией математических моделей потоков, используя их в качестве сосггавных частей построения более точной модели аппарата. Данный подход может быть использован при моделировании газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора. По причине новизны такого аппарата отсутствуют попытки его математического моделирования. Поэтому разработка математической модели газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора является актуальной проблемой для решения задачи моделирования газожидкостных процессов-
В имеющихся исследованиях по динамике газожидкостных реакторов с мешалкой существует возможность определения с помощью математического моделирования условий устойчивой работы таких аппаратов. Однако в используемых моделях не учитывается, что изменение температуры оказывает влияние на растворимость газа в жидкой фазе, что может приводить к значительным ошибкам в определении условий эффективного проведения процесса. В связи с этим возникает необходимость разработки и исследования математической модели, описывающей динамическое поведение газожидкоетнох'0 реактора с учетом влияния температуры на растворимость газа.
Целью настоящей работы является разработка и исследование математических моделей газожидкостных процессов с учетом особенностей, обусловленных влиянием растворенного газа на работу реакторов. Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработана математическая модель нового непрерывно действующего
газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора;
показано влияние условий массо пере носа и кинетики реакции на распределение концентраций реагентов в контуре газлифтного реактора;
изучена динамика протекания газожидкостного процесса в реакторе непрерывного действия с мешалкой с учетом влияния температуры на
растворимость газа для двух случаев: 1) когда растворимость газа с ростом температуры снижается; 2) когда растворимость газа с ростом температуры увеличивается;
- установлено, что закон изменения растворимости газа влияет на форму кривой
тепловыделения. При снижении растворимости газа с ростом температуры
кривая тепловыделения имеет максимум, что отражается на динамике процесса
и множественности стационарных состояний;
- найден критерий множественности стационарных состояний, условия
статической и динамической устойчивости работы реактора.
Скорость циркуляции жидкости в газлифтном реакторе
Устройство газлифтного реактора (рис. 1.3.1) представляется следующим образом: внутри корпуса 1 установлены одна или несколько барботажных труб 2, в которые с помощью газораспределителя 3 вводится газ. При подаче газа в заполненный жидкостью аппарат в барботажных трубах образуется газожидкостная смесь, плотность которой меньше плотности однородной жидкости в циркуляционной зоне (яа рис. 1.3.1 в межтрубном пространстве), вследствие чего в аппарате возникает циркуляция жидкости с восходящим потоком смеси в барботажных трубах. Поскольку барботажная труба работает как газлифт (аналогично затопленному эрлифту), логично назвать его барботажньш газлифтным реактором. Конструктивное исполнение газлифтных реакторов может быть различным, но независимо от конструкции в основу их работы положен принцип циркуляционного контура, состоящего из восходящего газожидкостного потока и нисходящего потока жидкости с небольшим количеством захваченных ею газовых пузырей. Максимальная приведенная скорость газа в барботажных трубах, определяющая нагрузку аппарата по газу, составляет 2 м/с, что в пересчете на свободное сечение кожуха аппарата даст скорость до 1 м/с.
Скорость циркулирующей жидкости может достигать 1-2 м/с. Это позволяет обрабатывать в газлифтном реакторе неоднородные жидкие системы с большим различием плотностей сплошной и дисперсной фаз. Интенсивная циркуляция способствует лучшему теплообмену между жидкостью и теплообменными поверхностями, образованными стенками барботажных труб. Возможность размещения в газлифтных аппаратах больших поверхностей теплообмена без нарушения принципа циркуляции делает их наиболее эффективными устройствами для проведения реакций с большим тепловым эффектом.
В отличие от барботажных колонн газлифтные реакторы при тех лее габаритах имеют меньший рабочий (реакционный) объем, если межтрубное пространство используется для подачи в него теплоносителя/ Как и барботажные колонны, газлифтные реакторы достаточно просты конструктивно и, следовательно, надежны в эксплуатации.
При математическом моделировании отдельную барботажную трубу [151 можно принимать близкой к аппаратам идеального вытеснения как по жидкой, так и по газовой фазам, однако в целом реактор по жидкой фазе следует считать аппаратом идеального смешения. Одним из достоинств газлифтного трубчатого реактора является возможность использования при его исследовании метода элементного моделирования. Поскольку в нем основной реакционный объем сосредоточен в барботажных трубах, результаты исследований кинетики процесса, полученные на модели, имеющей одну барботажную трубу (один элемент), можно распространить на пучок параллельно работающих труб таких же размеров, если в них сохранена гидродинамическая обстановка эксперимента.
Наиболее простая конструкция газлифтного реактора, выполненного в виде колонны с центральной барботажной трубой, была показана на рис. 13.1. Такой аппарат, .снабженный рубашкой па корпусе колонны, может быть использован для проведения химических реакций, сопровождающихся тепловым эффектом. Отличаясь простотой конструкции, он имеет один существенный недостаток - малую удельную поверхность теплообмена (отнесенную к объему жидкости в аппарате), величина которой Fy0 4/DK уменьшается с увеличением диаметра колонны Д.. Следовательно, применение в промышленности реакторов больших объемов, выполненных в виде колонны с центральной барботажной трубой и рубашкой на корпусе, допустимо только при малых тепловых эффектах реакции,
Тештообменную поверхность реактора можно увеличить, применив специальную конструкцию барботажной трубы (рис. 13.2). Здесь вокруг барботажной трубы / расположены вертикальные теплообменные трубы 2, объединенные вверху и внизу коллекторами 3. Штуцера 4 для,ввода и вывода теплоносителя выведены наружу через крышки аппарата. В газлифтном реакторе с рубашкой, имеющем дополнительные теплообменные элементы на барботажной трубе, общая удельная тепло передающая поверхность при условии, что площадь сечения барботажной трубы равна площади сечения кольцевой циркуляционной зоны, составляет Fyd&W/DK.
Прежде всего следует отметить, что в описаниях восходящей в трубах газожидкостной смеси нет общепризнанных, единых понятий о структуре потока или режимах его движения, в чем можно убедиться ознакомившись со специальной литературой [19-23]. Нет и количественных критериев, характеризующих переход от одного режима движения к другому.
Наиболее объективную картину потока дает ускоренная киносъемка, анализ которой показывает следующее [15]. При малых приведенных скоростях галі (ад.О.І м/с) в потоке жидкости распределены отдельные пучыри различных размеров, не зависящих от условий входа газа в труС деформированы и иногда занимают вес селение трубы.
Па рис. 13 А показано распределение воздушных пушрей в восхо; гачожидкосшпм потоке при (,оМ}Л м/с и =0.39 м/е. Вязкость жидкости 0,086 Па-е. Положение пучырей лтю череч двидиагь кадров при съемке е частотой 1500 кадров в секунду. При указанных условиях эксперимента. иетиШ Жи іжорогть газовых пузырей ып-0,$ міс, скорость относительно жидкости 1л?ж ОЛ55 р,М)Л25, #ИХ065 Н/м, Представление фотоірафия убедителыго показывает, что уекшоїшіь каїшй-гшСїо средний размер газовых пузырей, который иногда шатаются иегшльзовэть при описи, массообмена практически ревшможно.
Число и устойчивость стационарных режимов газожидкостных реакторов
Динамика газожидкостных процессов в отличие от однофазных систем более сложна и ей уделяется относительно малое внимание. Основные принципы по проектированию устойчивой работы газожидкоетньгс реакторов слабо изучены.
Подробная модель газожидкостного реактора, предложенная в [68] позволяет указать возможность существования динамической неустойчивости (предельных циклов) в газожидкостных процессах.
За последние несколько десятков лет большое количество работ посвящено этой проблеме. В основных из них [69-73] множественность стационарных состояний и устойчивость однофазных реакторов исследуется, главным образом теоретически, в других работах. [42,74-76] данная проблема изучается как экспериментально, так и теоретически.
Анализ литературных источников позволяет сделать важный вывод: когда система описывается двумя дифференциальными уравнениями относительно времени {тепловой и материальный баланс необратимой реакции первого порядка в реакторе с мешалкой), возможность неустойчивости легко прогнозируется путем анализа характеристик линеаризованной системы уравнений для условий процесса вблизи стационарного состояния.
Прогнозирование динамического поведения газожидкостных реакторов более сложно, так как эти системы включают 1) более двух уравнений в системе дифференциальных уравнений и 2) массопсренос между газовой и жидкой фазой. В литературе имеется лишь несколько работ [52,55-56,77-79] посвященных изучению динамического поведения газожидкостных процессов.
В работе [55] описана динамика газожидкостных реакторов в неадиабатических аппаратах с мешалкой. К сожалению, результаты, полученные в этой работе применимы только для особого случая - газожидкостных реакций первого порядка в так называемом режиме быстрой реакции. В этом случае основные характеристики системы описываются двумя дифференциальными уравнениями (материальный баланс яо газовому реагенту и общий тепловой баланс) методом, подобным используемому при исследовании динамики однофазных реакторов. Vleeschhouwer [79] анализирует динамику промышленного реактора. Однако рассматриваемый газожидкостный процесс также описывается только одним уравнением материального баланса по жидкому реагенту и тепловым балансом жидкой фазы. Компоненты газовой фазы не учитываются. Это означает, что процесс упрощаегся до 1-го порядка однофазной системы. В работе [68] представлены две модели: 1) подробная модель, которая надежно описывает динамику газожидкостньтх реакторов в различных условиях; 2) приближенная модель, используемая для нахождения условий устойчивой работы газожидкостных реакторов.
Строгая модель требует совместного решения дифференциальных уравнений материального баланса по газу и жидкости. С помощью этой модели показывается, что в газожидкостных реакторах может существовать предельный цикл (динамическая неустойчивость). Как правило, следует избегать такой неустойчивости процесса, так как это сказывается на качестве продукта, значительно усложняет управление процессом и увеличивает риск перехода к опасным режимам работы реактора. Подробная модель [68] имеет один главный недостаток; с ее помощью невозможно построить так называемую диаграмму устойчивости, характеризующую динамику системы-в зависимости от значений определенных иарамегров системы. Приближенная модель может быть использована для создания диаграммы устойчивости.
Газлифтный реактор с неподвижным слоем катализатора может быть использован для осуществления ряда важных процессов химического производства. В литературе достаточно полно отражены вопросы, касающиеся моделирования работы газлифтных подъемников жидкости и протекания химических реакций на слое катализатора. Однако по причине новизны газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора отсутствуют попытки моделирования системы газлифтный подъемник — слой катализатора как единое целое. Данные по распределению концентраций компонентов реакционной смеси в контуре газлифтного реактора, полученные с помощью математического моделирования для различных режимов работы такого аппарата, представляют большой интерес для решения задачи, оптимизации его работы. Результаты математического моделирования газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора можно использовать для совершенствования технологии и повышения эффективности работы данного оборудования.
Отсутствие литературных данных но моделированию газлифтного реактора не позволяет, сразу разработать математическую модель этого реактора, описывающую протекание в нем процесса во всей сложности и учитывающую действие многочисленных факторов. Поэтому представляется. целесообразным начинать построение модели реактора, исходя из упрощенного представления о структуре идеальных потоков в различных частях реактора. В отличие от газлифтного реактора, реактор с мешалкой является широко используемым в промышленности газожидкостным реактором. Большое значение при осуществлении высокотемпературных экзотермических -газожидкостных процессов в реакторе с мешалкой имеет изучение его устойчивости, поскольку возникновение самовозбуждающихся температурных ф колебаний может привести к опасным разогревам, в связи с чем, необходимо J уметь взять такие колебания под контроль. В имеющихся исследованиях по динамике газожидкостных реакторов не учитывается, что изменение температуры влечет за собой изменение растворимости газа в жидкой фазе. Однако, именно концентрация растворенного газа оказывает решающее влияние на скорость протекания газожидкостного процесса, поскольку имеет величину, на несколько порядков меньшую, чем концентрация жидкого реагента. В связи с этим возникает, необходимость изучения динамики и множественности стационарных состояний газожидкостного реактора с мешалкой с учетом влияния температуры па растворимость газа, определение условий устойчивой работы такого реактора. Таким образом, целью работы является: разработка и исследование математических моделей газожидкостных процессов с учетом особенностей, обусловленных влиянием растворенного газа на работу реакторов.
Упрощенная математическая модель газлифтного реактора
Кривая 4 описывает область множественности стационарных состояний, а кривая 5 - область динамической устойчивости. Точками А и В на рис. Ш.5,6 обозначены пересечение кривой тепловыделения с границей области множественности стационарных состояний и с границей предельных циклов соответственно. Выше точки В находится область статической устойчивости. Но на участке между точками АиВ имеет место предельный цикл. Чем дальше от точки А, тем больше амплитуда предельного цикла.
Проделав аналогичные действия для случая, когда растворимость газа в жидкости с ростом температуры возрастает (Q 0\ построим рис. ІІГ5.7 при следующих значениях параметров: Диссертация является научно-квалификационной работой, в которой содержится репгение задачи математического моделирования газожидкостных процессов с учетом особенностей, обусловленных влиянием растворенного газа на работу реакторов, имеющей существенное значение для теории газожидкостных аппаратов химической промышленности.
Основные научные результаты и выводы заключаются в следующем. 1. Разработана математическая модель протекания, газожидкостного процесса в газлифтном реакторе непрерывного действия с неподвижным слоем катализатора, которая позволяет рассчитать профили концентраций реагентов в различных частях реактора, что может быть использовано для повышения эффективности работы аппаратов данной конструкции. 2. Установлено влияние коэффициента массопереноса между газом и жидкостью, а также кинетики реакции на распределение концентраций реагентов в контуре газлифтного реактора с неподвижным слоем катализатора, получены графики изменения концентраций реагентов в контуре реактора. 3. Найдено выражение 2Л - f\f3Lb,k,f3R,C g z R l3T,TfT7q), позволяющее определять значение расхода Q\ поступающей в реактор жидкости, при котором будет иметь место оптимальное соотношение производительности (она будет максимальной при данных условиях) и степени превращения жидкого реагента, 4- Обнаружено, что закон изменения растворимости газа влияет на форму кривой тепловыделения: 1) с ростом температуры растворимость газа снижается, кривая тепловыделения имеет максимум, соответствующий максимальной скорости химической реакции, дальнейшее увеличение температуры приводит к снижению скорости тепловыделения; 2) с ростом температуры растворимость газа увеличивается, кривая тепловыделения максимума не имеет, возрастание скорости тепловыделения происходит на всем интервале температур. 5, Определены оптимальные условия проведения газожидкостного процесса в реакторе с мешалкой, а именно отсутствие множественности стационарных состояний при температуре Торь соответствующей максимальной скорости химической реакции. 6, Выявлено явление гистерезиса -в рабочем диапазоне изменения параметров процесса, заключающееся в разности температур зажигания и затухания химической реакции. 7, Найден критерий множественности стационарных состояний реактора на основе анализа математической модели, построенной с учетом влияния температуры на растворимость газа, позволяющий определить, возможна ли при данных условиях множественность. 8, Найдены области с различными типами динамического поведения системы путем исследования математической модели газожидкостного реактора с мешалкой. 9- Определены критерии статической и динамической устойчивости газожидкостного реактора с перемешивающим устройством, получены графики различных типов положений равновесия (узлы, фокусы, седла) процесса.
Результаты решения математической модели. Нахождение области множественности стационарных состояний реактора
В химической и смежных с ней отраслях промышленности существует множество различных реакторов, предназначенных для осуществления химических превращений в системах газ-жидкость. В нарастающем темпе проводятся исследования и разработка новых конструкций этих аппаратов. Для классификации всего разнообразия газожидкостных реакторов необходимо подразделить всю рассматриваемую аппаратуру на определенные группы и типы с учетом принципов ее действия и конструктивных особенностей. Основным параметром, характеризующим эффективность реакторов для систем газ-жидкость, является поверхность контакта фаз. Очевидно, способ ее формирования и должен быть заложен в основу предполагаемой классификации [15].
В зависимости от способа образования межфазной поверхности газожидкостные реакторы можно разделить натри основные группы. 1, Реакторы барботажные, в которых поверхность контакта фаз образуется при введении газа через газораспределительные устройства (барботеры) в слой жидкости (группа РБ). 2, Реакторы с механическим диспергированием газа, в которых вводимый в аппарат через барботер газ диспергируется в жидкости различными перемешиваюшими устройствами (tpynna РМ). 3, Реакторы пленочные, в которых контакт газа осуществляется с жидкостью, находящейся в виде пленки на стенках аппарата (группа РП). Руководствуясь изложенными принципами, предлагается общая классификация газожидкостных реакторов. В каждой группе могут быть аппараты различных типов, имеющие различное конструктивное исполнение, что, в свою очередь, определяет особенности гидродинамики и тепло- массообмена, а соответственно и условия промышленного -использования.
Скорость циркулирующей жидкости может достигать 1-2 м/с. Это позволяет обрабатывать в газлифтном реакторе неоднородные жидкие системы с большим различием плотностей сплошной и дисперсной фаз. Интенсивная циркуляция способствует лучшему теплообмену между жидкостью и теплообменными поверхностями, образованными стенками барботажных труб. Возможность размещения в газлифтных аппаратах больших поверхностей теплообмена без нарушения принципа циркуляции делает их наиболее эффективными устройствами для проведения реакций с большим тепловым эффектом.
В отличие от барботажных колонн газлифтные реакторы при тех лее габаритах имеют меньший рабочий (реакционный) объем, если межтрубное пространство используется для подачи в него теплоносителя/ Как и барботажные колонны, газлифтные реакторы достаточно просты конструктивно и, следовательно, надежны в эксплуатации.
При математическом моделировании отдельную барботажную трубу [151 можно принимать близкой к аппаратам идеального вытеснения как по жидкой, так и по газовой фазам, однако в целом реактор по жидкой фазе следует считать аппаратом идеального смешения. Одним из достоинств газлифтного трубчатого реактора является возможность использования при его исследовании метода элементного моделирования. Поскольку в нем основной реакционный объем сосредоточен в барботажных трубах, результаты исследований кинетики процесса, полученные на модели, имеющей одну барботажную трубу (один элемент), можно распространить на пучок параллельно работающих труб таких же размеров, если в них сохранена гидродинамическая обстановка эксперимента.
Наиболее простая конструкция газлифтного реактора, выполненного в виде колонны с центральной барботажной трубой, была показана на рис. 13.1. Такой аппарат, .снабженный рубашкой па корпусе колонны, может быть использован для проведения химических реакций, сопровождающихся тепловым эффектом. Отличаясь простотой конструкции, он имеет один существенный недостаток - малую удельную поверхность теплообмена (отнесенную к объему жидкости в аппарате), величина которой Fy0 4/DK уменьшается с увеличением диаметра колонны Д.. Следовательно, применение в промышленности реакторов больших объемов, выполненных в виде колонны с центральной барботажной трубой и рубашкой на корпусе, допустимо только при малых тепловых эффектах реакции,
Тештообменную поверхность реактора можно увеличить, применив специальную конструкцию барботажной трубы (рис. 13.2). Здесь вокруг барботажной трубы / расположены вертикальные теплообменные трубы 2, объединенные вверху и внизу коллекторами 3. Штуцера 4 для,ввода и вывода теплоносителя выведены наружу через крышки аппарата. В газлифтном реакторе с рубашкой, имеющем дополнительные теплообменные элементы на барботажной трубе, общая удельная тепло передающая поверхность при условии, что площадь сечения барботажной трубы равна площади сечения кольцевой циркуляционной зоны, составляет Fyd&W/DK.
