Задание 10. Исследование изотермического процесса в реакторе с кипящим слоем

Задание 10. Исследование изотермического процесса в реакторе с кипящим слоем

Провести математическое моделирование процессаокисления метанола в формальдегидв реакторе с кипящим слоем в предположении, что реактор работает в изотермическом режиме.

Маршруты реакции:

1.0CH₃OH+0.5O₂=1.0CH₂O+1.0H₂O

1.0CH₂O+0.5O₂=1.0CO+1.0H₂O

Кинетические выражения скоростей реакции:

W₁ = k₁C_CH3OH

W₂= k₂C_CH2O

k_j = k₀_je^-^Ej/(^RT),

где T – температура, К, С_CH3_OH, C_CH₂_O – концентрации веществ, моль/м³, W_j – мольная скорость j-й реакции, моль/(м³_зернас)

Параметры:

Значения кинетических параметров:

k₀₁ = 4.454×10⁴ с^-1, E₁ = 9.73×10³ кал/моль; k₀₂ = 4.23×10² с^-1, E₂ = 6.75×10³ кал/моль

k₀_j – предэкспоненциальный множитель j-й реакции, E_j– энергия активации j-й реакции

Мольные доли веществ на входе в реактор:

плотная фаза:

wdCH3OH_0 – 6×10^-2

wdCH2O_0 – 0.0

wdH2O_0 – 0.0

wdO2_0 – 1×10^-1

wdCO_0 – 0.0

wdN2_0 – 0.84

разреженная фаза:

wbCH3OH_0 – 6×10^-2

wbCH2O_0 – 0.0

wbH2O_0 – 0.0

wbO2_0 – 1×10^-1

wbCO_0 – 0.0

wbN2_0 – 0.84

Скорость потока на входе в реактор, u = 0.5 м/с

Температура на входе в реактор - варьируется, Tin = 250 оС; 280оС

Доля газа, проходящая через плотную фазу, q = 0.1

Коэффициент массообмена между плотной и разреженной фазами - варьируется, β = 0.2 м/с; 2 м/с; 3 м/с

Размеры реактора и время процесса:

Радиус реактора, Rr= 20 см

Длина реактора, Lr = 100 см

Время процесса, t = 2000 с

Необходимо:

1. Изучить сгенерированную модель «Fluidized bed.mph».

2. Рассчитать по ней процесс окисления метанола в формальдегид в реакторе с кипящим слоем. Построить в COMSOLe одномерные профили общей конверсии метанола и общего выхода формальдегида и двумерные графики концентрации метанола и формальдегида в плотной фазе и в фазе пузырей (поместить в отчет).

3. Определить, как влияет увеличение температуры процесса на общую конверсию метанола и общий выход формальдегида.

4. Определить, как влияет увеличение коэффициента массообмена между плотной и разреженной фазами на общую конверсию метанола и общий выход формальдегида.

5. Объяснить полученные результаты.

6. При T_in = 280^оС и β = 3 1/с сравнить максимальный выход формальдегида в реакторе с кипящим слоем с максимальным выходом в трубчатом реакторе. При каком времени контакта достигается максимальный выход в том и в другом реакторе? Сравнить производительность по формальдегиду в реакторе с кипящим слоем и в трубчатом реакторе (рассчитать при максимальном выходе).

Дополнительные данные для расчета трубчатого реактора:

Входные параметры:

Температура на входе в реактор, T_in = 230^оС

Скорость потока на входе в реактор, u = 2.1 м/с

Температура стенки реактора, T_w = 280^оС

Давление, P₀ = 1 атм

Теплофизические свойства и параметры массо- и теплопереноса:

Плотность газовой смеси, ρ = 0.605 кг/м³

Теплоемкость газовой смеси, C_p = 0.532 ккал/(кг К)

Теплоемкость зерна катализатора, C_с = 1500 кДж/(м³К)

Порозность слоя, ε = 0.4

Эффективный коэффициент теплопроводности по радиусу реактора, λ_r^e = 0.659 Дж/(м с K)

Эффективный коэффициент диффузии по радиусу реактора, D_r^{e =}2.06e-4 м²/с

Коэффициент теплообмена со стенкой реактора, α_w = 1171.0 Дж/(м² с К)

Размеры реактора и время процесса:

Радиус одной трубки реактора, R = 2 см

Длина реактора, L = 100 см

Время процесса, t = 2000 с