2.2. Лабораторная работа №4 Моделирование процесса смешения технологических потоков нефтехимического производства

Цель работы

1. Практически освоить методику составления уравнений материального и теплового балансов процесса смешения потоков.

2. Разработать программу расчета.

3. Исследовать влияние технологических параметров (состава сырья, расхода, температуры) на процесс смешения потоков.

Математическое описание процесса смешения

Важным узлом химико-технологических схем являются смесители потоков. Их устанавливают, например, на входе в аппарат, между слоями катализатора в химических реакторах и т. д.

Смешение потоков при движении по трубопроводу происходит на расстоянии не менее 10-12 его диаметров. При учете чувствительности каталитических процессов к неоднородностям по концентрациям требуется довольно тщательное перемешивание потоков, поэтому необходимы специальные смесители, обеспечивающие перемешивание потока на небольшом расстоянии в реакторе.

Например, многоканальный смеситель представляет собой пакет эжекционных трубок, каждая из которых обеспечивает полное смешение двух струй.

Турбулизация потоков в форсунках специального устройства резко улучшает смешение.

При составлении математического описания смесителя потоков (cм. рис. 2.3) воспользуемся следующими допущениями:

– структура потока в аппарате соответствует режиму идеального смешения;

– режим смешения в аппарате установившийся;

– внутри аппарата отсутствуют источники и стоки вещества и теплоты;

– число смешиваемых потоков равно двум, при необходимости смешения большего числа потоков в схему можно включить несколько последовательно соединенных смесителей;

– теплоемкости потоков i-го компонента рассчитываются при температуре этого потока.

Рис. 2.3. Смеситель потоков:

G_i, Т_i, C_i – расход, температура и вектор концентраций i-го технологического потока

В соответствии с допущениями общее уравнение материального баланса имеет вид

, (2.15)

где G– расход выходного потока, кг/ч;

G₁, G₂– расходы входных потоков, кг/ч.

Уравнение материального баланса i-го компонента

, i = 1, ..., N, (2.16)

где с_i– массовая доляi-го вещества в выходном потоке;

с_1i, с_2i – массовые доли i-го вещества в первом и втором входных потоках;

N– число веществ в потоке.

Из уравнения (2.16) можно определить массовую долю i-го вещества в выходном потоке:

. (2.17)

Уравнение теплового баланса имеет следующий вид:

, (2.18)

где C_р– удельная теплоемкость потоков,;

t– температура потоков,^оС.

Тогда температура выходного потока определяется соотношением

. (2.19)

Температурная зависимость удельной теплоемкости i-го вещества вj-м потоке может быть представлена как функция температуры:

, (2.20)

где а_i,b_i,c_i,d_i– эмпирические коэффициенты (Приложение Ж, табл. 4), найденные для каждого вещества [10].

Теплоемкость j-го потока вычисляется по правилу аддитивности:

. (2.21)

Для решения уравнения (2.19) можно воспользоваться методом простых итераций [6–8]:

, (2.22)

где k– номер итерации.

Условие окончания счета – .

В качестве начального приближения можно принять

. (2.23)

Таким образом, задавая параметры состояния потоков, поступающих в смеситель, можно определить выходные параметры.

Пример

На вход в смеситель подаются два потока с массовыми расходами 30 и 50 кг/ч и температурами 400 и 500 С соответственно.

Составы потоков в % масс. приведены ниже.

	Н2	СН4	С2Н6	С3Н8	n – С4Н10	С5Н12
I поток	60	30	10	–	–	–
II поток	–	–	–	40	50	10

Судя по составу входных потоков, поток на выходе из смесителя будет содержать шесть компонентов. Поэтому составы как входных потоков, так и выходного потока следует описать массивами, размерность [1–6] и расчёт состава выходного потока организовать с помощью циклической процедуры (см. рис. 2.3).

Расчёт теплоёмкости каждого из потоков также удобно проводить с помощью циклической процедуры.

Поскольку теплоёмкость выходного потока является функцией искомой температуры, то её расчёт является частью итерационной процедуры и повторяется для каждого нового приближения температуры, полученного на предыдущей итерации, а затем по этому значению теплоёмкости определяется следующее приближение температуры выходного потока.

Точность , определяющая условие завершения итерационного процесса, оценивается по погрешности прибора, используемого для измерения температуры. Учитывая класс точности приборов, используемых для измерения температур промышленных трубопроводов, примем= 0,5С.

Блок-схема алгоритма решения данной задачи представлена на рис. 2.4, программа расчёта на языке Турбо Паскаль приведена в Приложении Г.

Рис. 2.4. Блок-схема программы расчета смесителя (начало)

Рис. 2.4. Блок-схема программы расчёта смесителя (конец)