Задание 9. Исследование изотермического процесса в реакторе с кипящим слоем

Задание 9. Исследование изотермического процесса в реакторе с кипящим слоем

Провести математическое моделирование процесса окисления метанола в формальдегид в 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