Введение к работе
Актуальность работы. Значительный интерес исследователей к іроблемам и задачам механики многофазных сред обусловлен интенсивным юпользованием таких систем во многих технологических процессах. При этом гаиболее распространенными в химической и нефтехимической технологии вляются процессы сопровождаемые растворением, испарением, химическими [ревращениями и связанными с ними тепловыми эффектами в шогокомпонентных потоках, носящие неравновесный характер. В качестве іримера можно привести связанную цепочку процессов получения хлористого |тила, дихлорэтана с последующим пиролизом последнего с целью получения шнилхлорида.
Проблема теоретического моделирования трубчатых реакторов с шогофазными многокомпонентными системами, несомненно, является одной из 1ктуальньїх проблем современной механики многофазных систем. Такие системы [вляются основными рабочими телами большинства химических реакторов. Однако подавляющее большинство научных работ по данной тематике используют 'прощенные схемы. Математическое описание многокомпонентных азожидкостных потоков в таких реакторах требует более корректного учета целого )яда гидродинамических и физико-химических явлений с тепловыми эффектами.
Одним из важнейших аспектов разработки эффективных реакторов для ювременной химической промышленности является выбор инженерных решений шя обеспечения оптимальных и безопасных режимов эксплуатации реакторов. исследования на действующих установках основанные на непосредственных шытах с целью определения наиболее выгодных условий работы являются ^эффективными, неточными, дорогостоящими и опасными. В настоящее время «тематическое моделирование химических реакторов с помощью современной :омпьютерной техники стало основным методом создания реакторов и шределения оптимальности их работы.
Особенностью протекания химических реакций в промышленных шогофазных реакторах является зависимость интенсивности процесса от корости подачи и смешения реагентов, особенностей фазовых переходов, еплоотвода. Обычно, для жидкофазных реакций характерна большая скорость, ю сравнению со скоростью растворения реагентов. Так, например, при сидкофазном хлорировании н гидрохлорироваиии, когда реагенты подаются в иде газов, растворяются и вступают в реакцию в жидкой фазе, необходим учет [еравновесных фазовых переходов. Очевидно, что в случае быстрых химических 1еакций интенсивность всего процесса лимитируется скоростью растворения азов в жидкости, которая в свою очередь в частности зависит от давления.
Анализ возможных осложнений при эксплуатации реактора, связанное с озможными отложениями на стенки реактора, испарением продукта реакции, с
неполным растворением реагентов и, как следствие, выход большого количесті
не полностью прореагировавших веществ (абгазов), должен опйраться i
теоретическую модель, учитывающую совместное проявление отмеченных выи
процессов (двухфазное течение с фазовыми переходами, химические реакци
теплообмен).
Цель работы. Разработка теоретических моделей процессе происходящих при эксплуатации промышленных многофазных трубчать реакторов, предназначенных для получения хлористого этила, дихлорэтан винплхлорида, изучение на их основе различных технологических режиме эксплуатации, исследование влияния геометрических и режимных параметре на полноту физико-химических превращений, разработка оптимизационны решений, анализ возможных аварийных ситуаций.
Научная новизна. В диссертации созданы математические модели работ газожидкостных реакторов, учитывающие как гидродинамические, так и физию химические процессы с тепловыми эффектами, на их основе систематическ изучены основные закономерности распределения параметров (газосодержани) давления, температуры, массовых концентраций компонент, размеров пузьірької по длине реакторов, разработаны оптимизационные решения. Наиболее важные результаты следующие:
-
Получены замкнутые системы дифференциальных уравнени описывающих процессы получения хлористого этила, дихлорэтана, винилхпорид методом пиролиза дихлорэтана. Исследовано влияние различных режимиы параметров реакторов, таких как дисперсность газовой фазы, объемные расход! подаваемых газов, давление, температура, геометрические размеры на полнот физико-химических превращений и на устойчивость их работы. Обсуждаютс способы улучшения работы установок, повышающие эффективность экономичность, безопасность и производительность всего технологического цикла
-
Для процесса получения хлористого этила показано определяющ» влияние охлаждения на распределение температуры по длине канала. Показано что при существующем теплоотводе градиент температуры, возникающий за сче-выделения тепла в ходе химической реакции, по дайне реактора незначителен Отмечена задержка реакции, вызванная отсутствием одной из компонент i жидкости из-за большой разницы в растворимостях исходных компонент Исследовано влияние геометрических параметров (диаметра внутренних трубо! реактора, угла наклона реактора) на скорость физико-химических превращений Предложены технологические параметры функционирования установки (входньк условия - давление, температура, объемные расходы фаз и геометрические размеры) обеспечивающие более интенсивные процессы растворения у химических реакций.
3. Для процесса получения дихлорэтана выявлена резкая
еравномерность распределения массовых концентраций исходных компонент по ысоте реактора. В этих условиях весь процесс лимитируется скоростью створения этилена. Показано, что при повышении давления в реакторе скорость ютворения газовой фазы также повышается, что, в конечном счете, приводит к чцественному ускорению всего технологического процесса.
4. Для процесса получения винилхлорида учтены последовательно -фаллельные реакции в многокомпонентном газовом потоке в цилиндрическом Зогреваемом канале. Исследовано влияние давления и величины теплоподвода I расположение участков однофазного течения жидкости, двухфазного 1рожидкостного течения, однофазного течения газа на скорость и глубину [мических реакций.
Практическая ценность работы. Математические модели, созданные в боте, позволяют моделировать действующие установки. Работа позволяет щелировать различные технологические режимы, результаты работы могут быть пользованы для оптимизации уже существующих реакторов, для расчета и строения новых.
«ученные результаты могут быть использованы для решения следующих икладных задач:
-
Обеспечения безаварийных режимЬв работы аппаратов, применяемых в химической технолЬгий-:*
-
Повышения производительности действующих установок.
-
Выявления качественных особенностей протекания химических реакций в промышленных двухфазных реакторах.
Апробация работы; Основные результаты, приведенные в диссертации, <ладыБались и обсуждались на следующих конференциях и школах:
на Всероссийской научной конференции «Физика конденсированного состояния» (г. Стерлитамак, 22-25 сентября 1997 г.),
на четвертой Всероссийской школе - семинаре «Аналитические методы и оптимизация процессов в механике жидкости и газа» САМГОП-98 (г. Уфа, 1998).
на международной научной конференции "Спектральная теория дифференциальных операторов и смежные вопросы" (г. Стерлитамак. 1998 г.);
на школе-семинаре по механике многофазных сред под рук. акад. Нигматулина Р.И. в г. Стерлитамаке;
- на международной научно-технической конференции «Перспективы и
реализация региональных программ перехода к «устойчивому развитию
для промышленных регионов России», посвященной 50-летию
Уфимского государственного нефтяного университета (г. Стерлитамак, 13-
15 мая, 1999);
- на международной научно-технической конференции «Химия
химические технологии - настоящее и будущее» (г. Стерлитамак, 20-2
сентября, 1999 г.).
- на школе-семинаре по проблемам механики сплошных сред в система
добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа по
рук. акад. А.Х. Мирзаджанзаде, 7-8 октября 1999 г., г. Уфа.
Кроме того, результаты работы неоднократно докладывались и получил положительную оценку на семинарах по теоретической физике Стерлитамакског государственного педагогическоко инстититу поп руководством профо Шагапов В.Ш, проф. Филиппова А.И. (1997-1999 гг.).
Публикации: Основные результаты диссертации опубликованы в 8 статья и отчетах.
Объем и структура работы: Диссертация состоит из введения, 4-х гла] заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 112 страни! включая 46 рисунков, список литературы содержит 110 наименований.
Автор работы выражает искреннюю признательность своему научном руководителю чл.-корреспонденту АН РБ, профессору Шагапову В.Ш., зам. на-НТЦ «Каустик», профессору Загидуллину Р.Н., зав. лаб. НИО НТЦ «Каустик Расулеву З.Г., академику АН РБ Минскеру К.С., сотрудникам и аспиранта кафедры теоретической физики СГПИ за постоянное вниманш заинтересованность, поддержку в работе и полезные критические замечания.
-о-