по лабораторной работе № 2

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное

учреждение высшего образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт природных ресурсов

Направление подготовки (специальность) – Химическая технология

Кафедра технологии органических веществ и полимерных материалов

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 2

«Расчет равновесного состава сложных реакций с помощью программы»

(Название лабораторной работы)

по дисциплине «Оптимизация химико-технологических процессов»

Вариант 2

Выполнил студент гр. 2ДМ43 ____________ Байкова Н. А.

(Номер группы) (Подпись) (ФИО)

22 мая 2015 г.

(Дата сдачи отчета)

Отчет принят:

к.х.н. ассистент кафедры ТОВПМ ____________ Троян А. А.

(Ученая степень, ученое звание, должность) (Подпись) (ФИО)

_____ _____________ 2015 г.

(дата проверки отчета)

Содержание

Задание 3

Теоретическая часть 3

Экспериментальная часть 6

Вывод 9

Список литературы 10

Задание:

Найти оптимальную температуру, при которой достигается максимальный равновесный выход 2-метилбутана при изомеризации н - пентана.

Реакция проводится в газовой фазе с использованием алюмосиликатного катализатора в температурном интервале 400-700 К, при давлении 5 атм. Учесть, что возможно протекание следующей реакции:

Теоретическая часть:

В основу универсальной системы моделирования HYSYS заложены общие принципы расчетов материально-тепловых балансов технологических схем. Как правило, любое производство состоит из стадий (элементов), на каждой из которых производится определенное воздействие на материальные потоки и превращение энергии. Последовательность стадий обычно описывается с помощью техноло­гической схемы, каждый элемент которой соответствует определенному технологическому процессу (или группе совместно протекающих процессов). Соединения между элементами технологической схемы соответствуют материальным и энергетическим потокам, протекающим в системе. В целом моделирование технологической схемы основано на применении общих принципов термодинамики и кинетики к отдельным элементам схемы и к системе в целом.

HYSYS включает набор следующих основных подсистем, обеспечивающих решение задачи моделирования химико-технологических процессов:

- набор термодинамических данных по чистым компонентам (база данных) и средства, позволяющие выбирать определенные компоненты для описания качественного состава рабочих смесей:

- средства представления свойств природных углеводородных смесей, главным образом – нефтей и газоконденсатов, в виде, приемлемом для описания качественного состава рабочих смесей, по данным лабораторного анализа;

- различные методы расчета термодинамических свойств, таких как коэффициента фазового равновесия, энтальпии, энтропии, плотности, растворимости газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивности паров;

- набор моделей для расчета отдельных элементов технологических схем - процессов;

- средства для формирования технологических схем из отдельных элементов;

- средства для расчета технологических схем, состоящих из большого числа элементов, определенным образом соединенных между собой.

Библиотека программы HYSYS содержит данные по более чем 2500 чистым веществам, что дает возможность использовать программу практически для любых технологических расчетов процессов добычи и переработки углеводородного сырья, нефтехимии и химии. На практике при решении задач, характерных для газовой и нефтяной промышленности, используются не более 100 компонентов.

Моделирующая система HYSYS включает различные методы расчета термодинамических свойств, таких как константа фазового равновесия. энтальпия, энтропия, плотность, растворимость газов и твердых веществ в жидкостях и фугитивность паров. Имеются почти все опубликованные в литературе методы, а также специально разработанные методы, лицензированные у третьих фирм. Представленные в программе методы включают в себя:

- уравнения состояния, такие как метод Пенга-Робинсона для расчета коэффициентов фазового равновесия, энтальпий, энтропий и плотностей;

- обобщенные корреляции, такие как метод расчета коэффициентов фазового равновесия Чао - Сидера и метод расчета плотности жидкости API методы коэффициентов активности жидкости, такие как метод NRTL (Non-Random Two-Liquid - неслучайное двужидкостное) для расчета коэффициента фазового равновесия:

- специальные методы расчета свойств, специфических систем компонентов, таких как спирты, амины, гликоли и системы кислой воды. Наиболее часто для моделирования процессов добычи, транспортировки и переработки природного газа и нефти используется уравнение состояния Пенга-Робинсона или его расширенная модификация, реализованная в программе HYSYS.

Система HYSYS имеет графический интерфейс, позволяющий формировать схемы непосредственно на экране компьютера, выбирая элементы из списка и соединяя их в определенном порядке. Этот интерфейс называется окном PFD (Process Flowsheet Diagram, технологическая схема).

Любая задача моделирования эквивалентна большой системе нелинейных одновременно решаемых уравнений. Эта система включает расчет всех необходимых термодинамических свойств для всех потоков, расходов и составов с применением выбранных моделей расчета свойств и процессов. В принципе, возможно решение всех этих уравнений одновременно, но в моделирующих системах обычно используется другой подход: каждый элемент схемы решается с применением наибо­лее эффективных алгоритмов, разработанных для каждого случая.

При расчете системы взаимосвязанных аппаратов в HYSYS последовательность расчета элементов определяется автоматически (или может быть задана пользователем). При наличии рециклов создается итерационная схема, в которой рецикловые потоки разрываются и создается последовательность сходящихся оценочных значений. Эти значения получаются замещением величин, рассчитанных при предыдущем просчете схемы (метод простого замещения) или путем применения специальных методов ускорения расчета рециклов - Вегштейна (Wegstein) и Бройдена (Broyden).

Экспериментальная часть:

Воспользуемся программой Aspen HYSYS.

Реактор синтеза 2-метилбутана будет иметь один входной поток: пентан (С₅Н₁₂), выходные – 2-метилбутана в газовой (1) и жидкой (L) фазе.

Рисунок 1 – Реактор синтеза

Для процесса изомеризации пентана материальный баланс будет иметь вид:

Рисунок 2 – Материальный баланс получения 2-метилбутана

Рисунок 3 – Мольный состав компонентов на входе и выходе из реактора

Рисунок 4 – Тепловой поток при получении 2-метилбутана

После введения всех необходимых данных, необходимо провести оптимизацию процесса.

Необходимо задаться оптимизирующей функцией. Для данного процесса она будет иметь вид:

Задаваясь начальными условиями ведения процесса (в данном случае температура), программа осуществляет поиск оптимальных условий.

Интервал исследуемых температур – 105-420°С. Произведя расчеты, программа нашла оптимальную температуру, при которой наблюдается максимальный выход 2-метилбутана:

Оптимальная температура равно 193,9°С.

Провели проверку наших расчетов с помощью тематических исследований (case studies).

И по максимальному выходу 2-метилбутана нашли оптимальную температуру.

Вывод:С помощью программы ASPEN HYSYS мы создали модель реактора изомеризации пентана, рассчитали материальный и тепловой балансы протекающих реакций. По заданным параметрам оптимизировали процесс и нашли температуру при которой достигается максимальный выход 2-метилбутана (Т=193,9°С).

Список использованной литературы

1. Бочкарев В.В. – Оптимизация технологических процессов органического синтеза: учебное пособие - Томск: Изд-во ТПУ, 2009. – 185с.

2. Бочкарев В.В., Ляпков А.А. – Оптимизация технологических процессов органического синтеза: список примеров и задач – Томск: Изд-во

ТПУ, 2000. – 104с.

Поиск по сайту: