Разработка САПР трубчатых реакторов для производства малеинового ангидрида (стр. 6 из 15)

Эта подсистема предназначена для подбора пользователем оптимальных элементов вспомогательного оборудования.

Она реализуется с помощью следующего пакета прикладных программ:

- программа подбора фильтра;

- программа подбора электродвигателя.

В работе подсистемы применяется диалог типа "меню" и типа "заполнение бланка"

- Подсистема выбора теплоносителя.

Данная подсистема необходима для выбора теплоносителя для реактора получения малеинового ангидрида посредством каталитического окисления бензола. Выбор теплоносителя обеспечивает программа выбора теплоносителя. Математическим обеспечением ей служит алгоритм выбора теплоносителя. Применяемый диалог с пользователем - диалог типа "меню" и типа "заполнение бланка".

- Подсистема выбора катализатора.

Данная подсистема предназначена для выбора катализатора для трубчатого реактора производства малеинового ангидрида. Это осуществляется с помощью программы выбора катализатора. Эта программа использует алгоритм выбора катализатора. Лингвистическое обеспечение для этой подсистемы служит - диалог типа "меню" ,а также диалог типа "заполнение бланка".

- Подсистема решения задачи оптимизации.

Данная подсистема реализуется с помощью следующих программ:

- программа для решения математической модели;

- программа для решения задачи оптимизации.

Данные программы написаны на объектно ориентированном языке программирования С++. При работе данная подсистема применяет диалог "вопрос-ответ" для утверждения полученного результата у пользователя и системы "заполнения бланков" и "меню" для коррекции исходных данных.

В данной подсистеме для решения поставленных задач применяются следующие методы решения:

метод конечных разностей, который используется для решения математической модели ;

метод Ньютона для систем нелинейных дифференциальных уравнений, который используется для решения задачи оптимального проектирования.

4 ОПИСАНИЕ МЕТОДИКИ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Функциональная схема САПР представлена в приложении В.

На начальном этапе пользователю предлагается ввести исходные данные с помощью диалога типа "заполнения бланков" (для ввода необходимых данных) и диалога типа меню (для выбора необходимой точности). Эти данные проверяются на корректность. Затем по ним ищется готовый проект, если проект найден, то выводится вся графическая и текстовая документация согласно введенным данным.

В случае, если нет готового проекта для введенных данных, то выполняется поиск и расчет необходимой информации. Этот этап подразделяется на следующие этапы:

1) выбор теплоносителя (на этом этапе подбирается оптимальный теплоноситель);

2) выбор катализатора (здесь подбирается оптимальный катализатор);

3) решение математической модели статики и задачи оптимального проектирования;

4) анализ результатов оптимизации. Если данные приемлемы, то происходит переход на пункт 5, иначе данные корректируются и происходит переход на пункт 1;

5) подбор фильтра (здесь подбирается оптимальный фильтр);

6) подбор насоса (здесь подбирается оптимальный насос);

7) компоновка результатов проектирования;

8) сохранение готового проекта в базе данных готовых проектов;

9) формирование документации;

10) вывод результатов на печатающее устройство.

5 ОБЕСПЕЧЕНИЯ

5.1 Математическое обеспечение

Математическое обеспечение САПР - объединяет в себе математические модели проектируемых объектов, методы и алгоритмы выполнения проектных процедур. Для разработки многотоннажного производства малеинового ангидрида каталитическим окислением бензола целесообразно использовать методы математического моделирования /5,6/.

Математическая модель процесса позволяет определить оптимальные конструктивные и режимные параметры и разработать высокоэффективный промышленный реактор. Кинетическую модель окисления бензола в малеиновый ангидрид можно представить схемой, представленной на рисунке 2:

где Б — бензол; М — малеинивый ангидрид; Q — продукты сгорания: 1, 2 и 3 — маршруты образования продуктов.

Рисунок 2 – Схема кинетического окисления бензола

Скорости образования продуктов определяются из выраженнй:

, (5.1)

где w₁,w₂ и w₃ — скорости соответствующих стадий.

При выводе кинетических уравнений принимали дискретную неоднородность поверхности катализатора /7/. Последнюю можно представить состоящей из трех типов активных центров, различающихся энергией связи кислород — катализатор.

В процессе катализа происходят обратимая адсорбция окисляемого соединения на окисленной поверхности, взаимодействие адсорбированной молекулы с поверхностным кислородом и десорбция продукта. Протекание реакции тормозится органическими компонентами газовой фазы вследствие их обратимой адсорбции. Кислородные вакансии быстро заполняются кислородом из газовой фазы, вследствие этого наблюдается нулевой порядок по кислороду. В соответствии с указанными представлениями на основе теории стационарных реакций /8/ были выведены уравнения для расчета скоростей по маршрутам:

, (5.2)

D_i=C_Q,С_M,С_Б, (5.3)

где i — номер маршрута;

C_Б - концентрация соответственно бензола;

С_М — концентрация малеинового ангидрида;

C_Q – концентрация продуктов сгорания;

A_i,B_i,D_i и F_i — константы скоростей i-гo маршрута.

Экспериментальные данные по скоростям образования продуктов были получены на лабораторном безградиентном мембранном реакторе.

Реактор для получения малеинового ангидрида из бензола представляет собой вертикальный трубчатый аппарат с неподвижным слоем катализатора. Объем тепла осуществляется расплавом солей, циркулирующим в межтрубном пространстве. При математическом моделировании нужно установить влияние изменения режимных и конструктивных параметров процесса на эффективность работы реактора. Кроме того, необходимо определить структуру математической модели, наиболее точно соответствующую экспериментальным данным, и найти математическую модель (описывающую с достаточной точностью процесс в реакторе), которую можно применить при оптимизации процесса.

На рисунке 3 изображена структурная схема объекта.

C₆H₆ + O₂ C₄H₂O₃ + CO₂ + H₂O

Рисунок 3 - Структурная схема объекта.

Объект представляет собой «черный ящик», на вход которого подается бензоловоздушная смесь, а на выходе - малеиновый ангидрид в смеси с водой и углекислым газом.

5.1.1 Принятие допущений

- В связи с тем, что длина реактора значительно превышает его диаметр, будем использовать гидродинамическую модель “Идеальное вытеснение”.

- Плотность реакционной смеси не меняется по длине трубы.

5.1.2 Математическая модель

В проектируемом объекте происходят следующие реакции:

C₆H₆ + 4О₂ 2C₄H₂O₃,

C₄H₂O₃ + 2O₂ СО₂ + 2СО₂ + Н₂О, (5.4)

C₆H₆ + 6О₂ 3СО + 3СО₂ + 3Н₂О

Кинетику этих реакций уравнений можно представить в виде:

,

,

, (5.5)

,

x_Б = С_Б/С_о,

х_М = C_М/C_o,

х_Q = C_Q/С_о

Граничные условия:

,

,

,

, (5.6)

,

,

0 < r £ R,

0 < l £ L

Кинетические константы:

A₁ = 2,6127 с^—1,

А₂ = 0,2079 с^—1,

A₃ = 0,3189 с^—1,

B₁ = 5,1413 м³/(моль*с),

B₂ = 4,6351 м³/(моль*с),

В₃ = 0.8173 m³/(моль*с), (5.7)

F₁ = 0,0056 м³/(моль*c),

F₂ = 0,0219 м³/(моль*c),

F₃ = 0,0121 м³/(моль*c),

D₁ = 0,1328 м³/(моль*с),

D₂ = 0,1085 м³/(моль*с),

D₃ = 0,0678 м³/(моль*с)

где c_o — начальная концентрация бензола;

l — координата по длине трубки;

С_р — объемная теплоемкость потока;