3.6. Решение модели процесса в каскаде реакторов

Ниже подробно рассмотрена постановка задачи моделирования и решение моделей процессов, протекающих в каскаде реакторов, с помощью программного комплекса ReactOp.

3.6.1. Постановка задачи моделирования.

Процесс, протекающий в каскаде реакторов, рассмотрим на примере нейтрализации сточных вод, содержащих кислые примеси, например нейтрализацию серной кислоты известковым молоком, что может быть описано уравнением реакции:

.

(7)

Допустим, что в сточных водах содержится s,% весовых кислых примесей в пересчете на серную кислоту. Для нейтрализации используем известковое молоко с концентрацией m,% весовых. Поток кислых примесей составляет (м³/с) с плотностью _s (кг/м³). Тогда мольный поток подлежащих нейтрализации кислых примесей составит величину

.

(8)

Для нейтрализации этого количества кислых стоков необходим равный мольный поток известкового молока:

.

(9)

Приравнивая уравнения (8) и (9) и разрешая полученное равенство относительно , получим необходимый расход известкового молока:

.

(10)

Общий объемный поток в реактор будет составлять

.

(11)

Общая плотность смеси по правилу аддитивности равна:

.

(12)

Необходимый объем реактора будет равен:

.

(13)

Концентрации кислых примесей и известкового молока при входе в реактор составят:

.

(14)

Итак, получены все исходные формулы, необходимые для расчета процесса нейтрализации в проточном реакторе идеального перемешивания.

Задача. Необходимо организовать нейтрализацию 10 м³/час кислых стоков с начальной концентрацией s = 3% известковым молоком с концентрацией m = 10%.

Пользуясь полученными выше формулами, рассчитаем мольный поток кислых примесей:

.

Необходимый объемный расход известкового молока:

.

Общий расход смеси через аппарат:

.

Плотность смеси:

.

При времени контакта 30 мин общий объем реакционной зоны составит:

.

Начальные концентрации реагентов на входе в нейтрализатор:

Решить задачу создания каскада реакторов с требуемыми процессами удобно с помощью программного комплекса ReactOp.

3.6.2. Решение задачи моделирования

Сначала следует создать модель идеального перемешивания, как это изложено в разделе 3.2.

Затем, для построения модели процесса, происходящего в каскаде реакторов, следует использовать программу Cascade Wizard из главного меню программного комплекса ReactOp (рис.46).

Рис.46. Выбор программы Cascade Wizard из главного меню ReactOp

Затем с кнопкой Open следует загрузить созданную модель гидродинамики потоков. На странице (рис. 47) следует ввести кинетические константы и тепловые эффекты для записанных стадий процесса.

Рис. 47. Окно ввода кинетических констант и тепловых эффектов

Здесь показываются значения параметров для каждой стадии и имеются три кнопки, позволяющие добавить, отредактировать или убрать соответствующие параметры для выбранной стадии. После ввода всех необходимых параметров модели, нажатие кнопки Next открывает следующее окно (рис. 48), где следует создать каскад реакторов.

Рис. 48. Окно создания каскада реакторов

Нажатие кнопки Next вызывает окно сохранения модели (рис.49).

Рис. 49. Окно сохранения модели

Нажатие кнопки Save as вызывает на экран окно (рис. 50), в котором можно создать папку (поле Data Volume) для сохранения модели и присвоения модели произвольное имя (поле Model Name).

Рис.50. Окно присвоения имени модели

Теперь модель процесса, протекающего в каскаде реакторов идеального перемешивания, готова для решения.

Для решения задачи необходимо войти в главное меню  ReactOp и выбрать программу Simulation Wizard. Откроется меню Simulation. Нажатие кнопки New откроет меню создания задачи моделирования (рис. 51).

Рис. 51. Создание новой задачи моделирования

Из открывшегося списка имеющихся моделей следует выбрать необходимую модель. При первом решении задачи это будет единственная модель. Выбрав эту модель, следует открыть окно задания условий моделирования (рис. 52).

Рис. 52. Окно задания условий моделирования

В этом окне можно редактировать параметры модели, после чего или без редактирования перейти к заданию начальных условий (рис. 53): в том числе установить длительность процесса, количество точек выдачи результатов, а также уточнить математические методы решения и задавать точность решения.

Рис. 53. Окно задания начальных условий

В следующем окне (рис.54), двойным щелчком мыши по каждому реактору, следует задать температуру, начальные условия моделирования по всем переменным состояния, описываемым в модели, и свойства компонентов.

Рис. 54. Окно задания начальных условий моделирования

Задав все необходимые условия, командой Solve следует запустить решение уравнений модели. Результат решения будет представлен как диаграмма изменения переменных состояния (рис.55).

Рис. 55. Результат решения модели для каскада реакторов

После просмотра решения нажатие кнопки Next открывает окно (рис.56) выбора способа сохранения результатов: как результат моделирования; как модель; как экспериментальные данные, - для последующего использования.

Рис. 56. Окно сохранения результатов моделирования

Следует отметить, что при увеличении числа реакторов повышается степень очистки сточных вод, но возрастает запаздывание. Для сравнения приведем решение модели для одного реактора (рис.57).

Рис. 57. Результат решения модели для одного реактора

Из сравнения результатов решения модели (рис.55 и рис.57) видно, что каскад реакторов имеет запаздывание порядка 5 секунд, тогда как один реактор не имеет запаздывания вообще. Поэтому необходимо находить компромисс между степенью очистки и количеством ректоров, так как увеличение числа реакторов приводит к значительному повышению затрат на создание и эксплуатацию каскада реакторов.