Моделирование гидродинамики и нагрева реакционной смеси в экспериментальной установке вакуумного дегидрирования

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, chorabai@mail.ru; А. А. Назаров -к.т.н., доцент, той же кафедры, mahp-kstu@mail.ru; С. И Поникаров - д-р тех. наук, проф., зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.