Моделирование и расчет динамических характеристик химических реакторов смешения
УДК 66. 011(043.3) На правах рукописи
ДАУШЕЕВА НУРЖАМАЛ НУРТУРЕЕВНА
Моделирование и расчет динамических характеристик химических реакторов смешения
05.17.08 – Процессы и аппараты химических технологий
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Республика Казахстан
Шымкент, 2010
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова
Научный руководитель: д.т.н., профессор Ескендиров Ш.З.
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Исмаилов Б.Р.
к.т.н. Раматуллаева Л.И.
Ведущая организация: Таразский государственный университет
им. М. Х. Дулати
Защита состоится «28» декабря 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 14.23.01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд 342 главного корпуса.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауезова по адресу: 160012, г. Шымкент, пр. Тауке хана, 5, ауд 215 главного корпуса.
Автореферат разослан «___» ноября 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета д.т.н., профессор ______________ Волненко А.А.
Введение
Общая характеристика работы. Исследования в области динамики технологических процессов объясняются запросами практики и способствуют рациональной организации химико-технологических процессов, позволяют моделировать и прогнозировать явления, обуславливающие их устойчивость, оптимизировать условия работы химических реакторов.
При расчете и моделировании жидкофазных химических аппаратов предлагаются модели идеального смешения, идеального вытеснения, ячеечные и т.п. Но реальные условия ведения процессов не всегда соответствуют этим идеализированным моделям. Связано это с тем, что часто меняется состав сырья, параметры внешней среды, скорости подачи реагентов и многие другие факторы - все это приводит к отклонению процесса от статического режима, которое может открыть новые возможности интенсификации, но может оказаться и вредным, особенно при получении продукта заданного качества. При математическом описании динамики часто используют результаты, полученные в установившихся условиях работы, что значительно снижает точность описания, в частности, стадии химического превращения, которая является центральной и определяющей потенциальные возможности получения продуктов в целом. Это и определило направленность настоящего исследования.
Актуальность проблемы обусловлена тем, что решение практических задач повышения эффективности работы химических реакторов смешения, требует учета разных уровней перемешивания, позволяющих прогнозировать результирующие характеристики реакторов, качество получаемого продукта, возможности более глубокой переработки сырья.
В настоящее время отсутствуют теоретические основы и достаточный объем экспериментальных данных для описания сложных гидродинамических явлений, которые обусловлены влиянием диффузионных и тепловых явлений с учетом макро- и микросмешения в динамике.
Разработка стратегии исследования реакторов и методики расчета динамических характеристик для задач оптимального проектирования реакторов данного класса с последующей проверкой в промышленных масштабах является актуальной задачей, решаемой в данной работе.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М. Ауезова Б-МСФ-01-05-1 «Разработка методологии проектирования, конструирования и расчета высокоинтенсивных аппаратов и устройств общепромышленного назначения» на 2005-2010 гг., а также с госбюджетной НИР Б- ФИТ- 06-01-04 «Создание программно-математического обеспечения автоматизированных систем» на 2005- 2010 гг.
Целью работы является исследование динамических характеристик процессов перемешивания гомогенных сред с учетом факторов промежуточного уровня смешения и построение на этой основе математических моделей, обеспечивающих возможность оптимального проектирования и управления промышленными реакторами перемешивания для технологических процессов химической, нефтехимической и смежных отраслей промышленности.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
- разработка математического описания процессов перемешивания с учетом промежуточного уровня смешения в нестационарных режимах;
- проведение экспериментальных исследований динамических характеристик гомогенного химического реактора, учет влияния промежуточного уровня смешения;
- получение оценок параметров математической модели с учетом конструктивных особенностей технологического аппарата и организации процесса;
- выявление гидродинамических закономерностей и зависимости степени превращения от режимных параметров реактора;
- определение условий устойчивости рассматриваемых динамических систем к возмущениям;
- практическая апробация основных результатов исследований в производственных условиях, оценка адекватности модели нестационарных режимов химических реакторов.
Методы и объекты исследований. При выполнении работы использована методология системного анализа в области процессов химической технологии, при физических исследованиях – методы планирования экспериментов, стандартные методики физико-химических исследований, численные методы и математическое моделирование.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
- теоретически и экспериментально показано существование в гомогенных реакторах смешения зон макро- и микросмешения. Предложена методика оценки влияния указанных зон на реакционную способность аппарата;
- на основе полученных гидродинамических закономерностей разработана методика экспериментальных исследований по оценке уровня смешения с учетом динамических характеристик процесса перемешивания;
- получены математические зависимости, позволяющие производить расчет степени превращения для реакций первого и второго порядка с учетом промежуточного уровня смешения;
- разработана математическая модель реактора промежуточного уровня смешения в динамике;
- получены уравнения для расчета устойчивости реакторной системы смешения в динамике.
Научные положения, выносимые на защиту:
- методика исследования промежуточного уровня смешения и его влияние на процесс при различных вариациях входных параметров;
- математическая модель реактора с учетом промежуточного уровня смешения в динамике;
- математические зависимости для расчета степени превращения применительно к химическим реакциям первого и второго порядка с учетом промежуточного уровня смешения;
- методика получения условий устойчивости реакторной системы в динамике;
- методика и результаты экспериментального исследования гидродинамики химических реакторов перемешивания на лабораторных и промышленных установках;
- рекомендации по выбору параметров рациональной подачи реагентов промышленного процесса;
- алгоритмы проектного расчета жидкофазных проточных реакторов.
Обоснованность и достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций. Научные результаты, выводы и рекомендации работы получены с использованием строгих математических методов, современной методологии системного анализа в области процессов химической технологии. Выводы подтверждены результатами исследований. Они сопоставимы с имеющимися эмпирическими данными и экспертными оценками, что позволяет считать их достаточно обоснованными и достоверными.
Практическая ценность работы. Разработана научно-обоснованная методика расчета, проектирования и прогнозирования проведения процессов в химических реакторах смешения, учитывающая разные уровни смешения в динамике. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований обеспечено значительное повышение эффективности технологических процессов получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного. Полученные технические решения, разработанные методики и практические рекомендации могут быть распространены на аналогичные процессы производства монокальций фосфатов, солей калия и удобрений.
Учет влияния эффекта сегрегации на стационарное состояние процесса и на его устойчивость, позволяет обосновать функциональную структуру реакторов с разным уровнем смешения и решать задачи оптимизации реакторов данного класса. Предложен общий подход к исследованию нестационарных режимов реактора смешения с учетом эффекта промежуточного уровня при изменении порядка реакции, режимных параметров.
Разработан алгоритм и методика проектного расчета промышленных реакторов с учетом параметров микросмешения, реализованный в виде пакета прикладных компьютерных программ.
Апробация практических результатов. Результаты исследований позволили выдать рекомендации по совершенствованию режима ведения процесса в производстве получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного на заводе в ТФ ТОО «Казфосфат» «Минеральные удобрения» г. Таразе с экономическим эффектом 3 875 000 тенге в год.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования, разработанные методики и практические рекомендации могут быть распространены на аналогичные процессы производства монокальций фосфатов, солей калия и минеральных удобрений.
Апробация работы. Основные положения диссертации и представленные в ней результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: научной конференции «История и современность», посвященная 55-летию Победы в ВОВ (Шымкент, 2000), международной научной конференции «Современные проблемы химической технологии неорганических веществ» (Одесса, Украина, 2001), XVI Международной конференции ММТТ (Ташкент- Санк-Петербург, 2003), 18th International Congress of Chemical and Process Engineering. CHISA-2008 (Praha, 2008), Международной научно-практической конференции «Химия в строительных материалах и материаловедение в ХХI веке», ЮКГУ им М. Ауезова (Шымкент, 2008), научных семинарах кафедры ВТ и ПО.
Основное содержание работы
Во введении дана характеристика современного состояния решаемой научной проблемы, обоснование необходимости проведения научно-исследовательской работы. Показана актуальность темы и сформулированы цель работы и задачи исследований. Представлены основания и исходные данные для разработки темы, сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки и метрологическом обеспечении диссертации, положения, выносимые на защиту, практическая ценность и апробация практических результатов.
В первом разделе проведен анализ современного состояния теории и практики в области моделирования гидродинамики процессов перемешивания. Приведена классификация моделей промежуточного уровня смешения и их сравнительный анализ при различных условиях ввода реагентов.
Для промышленных аппаратов в силу неравномерности распределения энергии и массы по объему реактора, из-за возможных изменений физических свойств потоков реагентов в различных зонах аппарата могут развиваться неустойчивые процессы. Так как зоны реакторного пространства связаны между собой тепловыми и массовыми потоками, в реакторе будет постепенно происходить усреднение их характеристик. Это может привести к расширению зоны «горения» во времени и в объеме или к «затуханию» процесса. На основании анализа литературы по данной проблематике сформулированы задачи исследования.
Второй раздел посвящен вопросам моделирования и разработке теоретических основ математических моделей, описывающих поведение системы с учетом промежуточного уровня смешения в динамике.
Рассматривается случай, когда поступающий в реактор поток реагентов является сегрегированным, а выходящий из аппарата - как смешанный на микроуровне. Внутри реакторного пространства возможны состояния, как частичной сегрегации, так и частичного микросмешения.
Для количественного описания уровней смешения систем введены ключевые параметры, в основе которых лежит фактор времени, который детализируется следующим образом:
- время пребывания элемента, то есть время от момента попадания молекулы в систему до выхода из неё;
– возраст элемента жидкости, время от момента попадания в систему до момента наблюдения;
- ожидаемое время жизни молекулы (ОВЖ) – время от момента наблюдения до момента выхода молекулы из системы;
- скорость перехода реагентов из состояния сегрегации в состояние микросмешения. Если = 0, то выходящий из реактора поток остается в сегрегированном состоянии, при = 1 имеет место состояние микросмешения.
- граничное значение возраста элемента жидкости, иначе, параметр микросмешения показывает, как происходит переход молекул из одной среды в другую.
Данные параметры находят отражение только в двухсредных моделях промежуточного уровня смешения. Предполагается, что элемент жидкости, вошедший в реактор, некоторое время остается сегрегированным и только при достижении определенного граничного возраста переходит в зону микросмешения. Часть потока со временем пребывания меньше некоторого граничного возраста покинет реактор в том же сегрегированном состоянии. Другая часть потока со временем пребывания больше поступит на выход в состоянии микросмешения.
Так как на выходе системы все молекулы имеют ОВЖ равное нулю, то молекулы в выходящей глобуле имеют значение возраста, соответствующее их индивидуальному времени пребывания. Следовательно, внутри реакторной системы происходит переход от ассоциации молекул с одинаковым возрастом к группированию молекул, которые характеризуются одинаковым ожидаемым временем жизни. В этом переходе суть явления микросмешения. Обозначим доли частиц r
(), имеющих возраст и оставшихся в поступившем потоке, и доли частиц r2() в выходящем потоке. Величины данных долей будут определяться следующими соотношениями:
r1()=exp(-) и r2()=1-exp(-) (1)
Определим количество частиц dG1 в поступающем потоке с ожидаемым временем жизни в диапазоне до +d:
(2)
Количество частиц dG2 в потоке на выходе системы с ожидаемым временем жизни от до +d:
(3)
Для учета факторов теплопереноса примем предположение о том, что перемешиваемая среда имеет хорошую теплопроводность. Тепло, выделяемое (поглощаемое) в ходе химических реакций, мгновенно отводится (подводится) от (к) реагирующей смеси.
Получим соотношения, характеризующие перемешивание в условиях полной сегрегации и в условиях микросмешения.
Уравнение теплового баланса в данном случае может быть представлено в виде:
(4)
Примем допущение о том, что плотность 
и теплоемкость 
реагентов являются постоянными величинами, которые не зависят от температуры и состава смеси. Тогда общее количество тепла 
, выделяющееся в результате химической реакции, можно подсчитать, определив количество тепла 
в «отдельной точке» системы и просуммировав затем полученные значения по формуле:
(5)
где 
тепловой эффект i– ой реакции.
Для реактора с произвольной функцией плотности распределения времени пребывания 
значение степени сегрегации I в случае микросмешения на уровне полной сегрегации равно единице, в другом случае, при максимуме смешения – величина I не равна 0, так как существует разница в возрастах для различных точек реакторной системы.
Представляет практический интерес исследование возникающих переходных процессов. Рассматривается процесс перехода системы из одного состояния равновесия в другое состояние равновесия реактора промежуточного уровня смешения. В статике задано уравнение идеального смешения первого порядка: 
(6)
Решая (6) с учетом отклика системы на возмущение, получаем уравнение следующего вида:
(7)
Это соотношение определяет величину концентрации целевого продукта на выходе реактора с учетом промежуточного уровня смешения. Однозначно узнать о реальном уровне перемешивания возможно лишь при сопоставлении
расчетных значений выходной концентрации с экспериментально определенными значениями.
Уравнения модели реактора смешения нелинейные только из-за входящего в них функциональных зависимостей, учитывающих скорость реакции, которые в ряде случаев могут быть аппроксимированы линейными функциями в заданной области.
В данной работе оценка устойчивости работы реактора при промежуточных условиях перемешивания исследована с использованием первого метода Ляпунова.
Нелинейную систему можно аппроксимировать в окрестности стационарного состояния 
и 
линейной моделью.
Поскольку уравнения выведены для малых отклонений, то можно принять, что: 
и 
Тогда система уравнений имеет вид:
(8)
где индекс s обозначает стационарное состояние.
В данной системе уравнений выражения 
являются корнями характеристических уравнений исследуемой системы (8).
Существенный момент представляет способность системы возвращаться в стационарное состояние при возникновении динамических отклонений.
Условия устойчивости:
(9)
,
где 
Если все корни характеристического уравнения будут отрицательные вещественные или комплексные с отрицательной вещественной частью, то каждое слагаемое уравнения будет с течением времени уменьшаться, и при t будет стремиться к нулю. Таким образом, условие устойчивости динамической системы, при малых возмущающих воздействиях удовлетворяется.
Полученные математические выражения процесса перемешивания представляют стабильные динамические системы. Соответственно сами модели адекватно отражают существо рассматриваемых явлений.
В третьем разделе для проверки теоретических предпосылок и проверки работоспособности модели проведены экспериментальные исследования на двух лабораторных реакторах емкостью 23 и 80 литров. Динамические характеристики получали в зависимости от таких факторов, как:
- скорость подачи реагентов и изменение числа оборотов мешалки;
- конструктивные характеристики рабочего органа мешалки и его расположение по высоте аппарата;
- расположение точек ввода реагентов относительно точки вывода продукта.
Для определения состояния уровня смешения в реакторном пространстве проанализированы функции распределения по времени пребывания в зависимости от гидродинамических условий процесса, по которым определены параметры математической модели 
.
На рисунке 1 представлена схема экспериментальной установки.
1 – реактор, 2 – ротаметры РС- 5, 3 –сосуд Бойля- Мариотта, 4 - напорные бачки, 5 – емкости для реагентов
Рисунок 1- Схема экспериментальной установки
Степень превращения по каждому компоненту на выходе из реактора вычисляется по формуле:
, (9)
где 
- число реагентов
- концентрация в зоне сегрегации; 
- концентрация в зоне микросмешения; 
- начальная концентрация реагента по потоку i.
Методика определения параметра микросмешения сводится к следующему:
1. Проведение реакции нейтрализации раздельно поступающих потоков реагентов А (щелочи) и В (кислоты);
2. Определение степени превращения щелочи на выходе из реактора с учетом доли потока полной сегрегации;
3. Определение степени превращения по кислоте, если в зоне микросмешения был избыток кислоты;
4. Определение параметра микросмешения 
.
Для этого проводилось численное интегрирование кривых плотности распределения времени пребывания для того же режима работы аппарата, при котором определялась величина 
. Решение при 
дает концентрацию компонентов на выходе из зоны сегрегации. Оно в свою очередь является начальным условием при интегрировании для зоны микросмешения. Решение при 
дает концентрацию компонентов из зоны микросмешения.
Предел интегрирования определялся величиной параметра микросмешения 
, а степень превращения по формуле 
. Моменту времени, при котором величина текущей концентрации равна величине (1-
), соответствует момент перехода из состояния сегрегации в состояние микросмешения.
На основании полученных экспериментальных данных произведена оценка параметра микросмешения 
= 0.18
.
A = B = 42 л/мин
кривые – расчет, точки – эксперимент
Рисунок 2- Зависимость степени превращения от числа оборотов мешалки
Из рисунка 2 видно, если увеличивается константа скорости реакции в 10 раз, то при увеличении числа оборотов мешалки степень превращения увеличивается в 2 раза, также повышение степени превращения заметно при увеличении числа оборотов мешалки, что объясняется более интенсивными условиями встречи реагентов и увеличением доли микросмешения.
1 - * = 0 – полное микросмешение
2 - * = 0.18 
- промежуточный уровень смешения
кривые – расчет
точки – эксперимент
Рисунок 3 – Зависимость степени превращения от числа оборотов мешалки
Рисунок 3 показывает, что в условиях полного микросмешения и промежуточного уровня для достижения степени превращения 95 % с заданной производительностью необходимы реакторы разного объема. С увеличением объема реактора увеличивается доля сегрегированной части, так как распределение материальных потоков по объему аппарата ухудшается.
Ниже на рисунке 4 представлено: параметр микросмешения слабо влияет на выходную функцию при малых числах оборотов.
- 400 об/ми 
- - 400 об/мин
кривые – расчет
точки – эксперимент
Рисунок 4 - Зависимость параметра микросмешения от степени превращения
Это объясняется и слабым перемешиванием, и тем, что значительная часть жидкости находится в макросостоянии на уровне глобул молекул.
Для данной работы при математическом описании движения потоков внутри реактора была принята ячеечная модель с циркуляционным потоком. При решении циркуляционной модели численным методом определяются время пребывания и параметр микросмешения, дисперсии распределения. По этим значениям определяется адекватность модели по критерию Фишера. Расхождение между экспериментальными и расчетными значениями не более 12 %.
В 4 разделе рассматриваются вопросы моделирования промышленного реактора в процессе получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного
(
). Анализ процесса показал, что до выхода на стабильный режим проходит от 3 до 4 дней. Изучение реакции системы на изменение соотношений потоков, изменение скоростей подачи реагентов и др., позволяет сделать вывод, что целесообразно минимизировать время переходного процесса, регулировать гидродинамическую обстановку в реакторе, что очень важно при расчете аппаратов другой производительности. Процесс химического превращения протекает по следующему стехиометрическому уравнению:
3Сa(NO3)2 + 2Н3РО4 + 6NаОН Сa3(РO4)2 + 6NаNО3 + 6Н2О (8)
При недостаточном времени перемешивания, образуется осадок, соответствующий отношению Са: Р = 1,2. Концентрации реагентов не успевают усредниться по объему аппарата и реакция происходит в некоторой области, находящейся между зонами с повышенными концентрациями реагентов А и В, что говорит о высокой доле уровня сегрегации и понижении качества смешения.
Расчет по модели промежуточного уровня показывает, что даже при интенсивном смешении и малой подачи реагентов, величина сегрегированного потока колеблется от 0,13 л/мин до 0,31 л/мин по Са(NO3)2 и от 0,05 л/мин до 0,25 л/мин по NaNO
. Т.е. при расчете аппарата большей производительности, необходимо учитывать величину сегрегированного потока, которая, как известно, возрастает с увеличением объема реактора. Обработка результатов экспериментов показала, что самыми значимыми параметрами процесса являются соотношение потоков и скорость подачи реагентов, затем положение мешалки по высоте аппарата.
Для производства кальция фосфорнокислого трехзамещенного рекомендовано соблюдать соотношение исходных реагентов 
, для реактора высотой 2,2 м рекомендуем устанавливать мешалку на расстоянии 0,9 м от дна, при высоте наполнения жидкостью 1,9 м. Разница в объемах реактора с долей сегрегации и без рассчитывается: 
. Рассчитанный объем реактора с учетом уровня сегрегации равен 6,9 
, без учета величины сегрегированного потока 4,7
.
Результаты исследований позволили выдать рекомендации по совершенствованию режима ведения процесса в производстве получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного на заводе в ТФ ТОО «Казфосфат» «Минеральные удобрения» г. Таразе.
Заключение
Краткие выводы по результатам диссертационных исследований
1. С позиций системного анализа рассмотрены различные подходы к проблеме моделирования жидкофазных реакторов смешения при взаимодействии нескольких потоков реагентов. Разработана математическая модель динамики жидкофазного реактора, учитывающая уровень смешения.
2. На основе экспериментальных исследований, проведенных на лабораторных и промышленных установках, определены гидродинамические режимы реактора, соответствующие неполному смешению, возникновению эффекта сегрегации, максимальной смешанности и зависимости показателей эффективной работы реактора от входных параметров и конструктивных характеристик реактора.
3. Разработана методика экспериментальных исследований по оценке и определению параметра микросмешения для исследуемого процесса с использованием модельной химической реакции.
4. Рассчитаны переходные процессы, определены условия устойчивости динамических режимов перемешивания.
5. Результаты исследований позволили выдать рекомендации по совершенствованию режима ведения процесса в производстве получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного в ТФ ТОО «Казфосфат» «Минеральные удобрения» г. Таразе с экономическим эффектом 3 875 000 тенге в год.
6. Разработано программное обеспечение для исследования и оптимизации нестационарных режимов работы жидкофазных реакторов смешения, для параметрической идентификации моделей, описываемых системами дифференциальных уравнений, реализованное в среде Delphi 7.
Оценка полноты решений поставленных задач. Результаты теоретических и экспериментальных исследований, выявленные закономерности перемешивания в динамических режимах при двух раздельно поступающих потоках реагентов, их апробация в промышленных условиях соответствуют поставленным в диссертации задачам.
Разработка рекомендаций и исходных данных по конкретному использованию результатов. Методика расчета и определения параметров модели, рекомендации по проектированию и эксплуатации жидкофазного реактора могут быть использованы научными и инженерно-техническими работниками, предметная область которых, связана с проведением и расчетом процессов в гомогенных, псевдогоменных перемешиваемых средах. А также преподавателями вузов при изучении дисциплин «Процессы и аппараты химической технологии», «Модели и объекты управления».
Исходными данными по использованию результатов являются: расходные характеристики жидкостных потоков, конструктивные параметры реактора, организация теплосъема, требуемая степень превращения, рекомендации по проектированию и эксплуатации реакторов.
Оценка технико-экономической эффективности внедрения и уровня выполненной работы в сравнении с лучшими достижениями в данной области. Разработанные методы расчета обеспечивают научно обоснованное проектирование жидкофазных реакторов на уровне современных требований. Методика расчета основных гидродинамических параметров базируется на известных законах движения жидкостей и вновь открытых закономерностях взаимодействия потоков в динамике, что способствует ее конкурентоспособности.
Условные обозначения: N – число оборотов мешалки, об/мин; t – время, мин; h/H – положение мешалки по высоте аппарата; v – скорость подачи реагентов, л/мин; C
- входная концентрация, %; 
- время пребывания, мин; 
- среднее время пребывания, мин; V
- объем аппарата, 
; 
- параметр микросмешения, мин-1; q – величина циркуляционного потока, л/мин; 
- степень превращения; T – температура, С
; k – константа скорости реакции; 
- количество тепла, выделяющееся в реакторе в единицу времени, ккал/моль; R – универсальная газовая постоянная; 
- предэкспоненциальный множитель; E –энергия активации, ккал/кмоль; 
- функция плотности времени пребывания; 
- функция распределения времени пребывания; 
- плотность реакционной смеси, кг/л; 
- теплоемкость реакционной смеси, 
; 
- температура стенки реактора, 0С; 
- температура в начальный момент времени, 0С; xр- расчетная степень превращения; xз- заданная степень превращения;
Список опубликованных работ по теме диссертации
1 Даушеева Н.Н., Ескендиров Ш.З., Ахметова К.Т. Математическое моделирование структуры потоков в реакторах смешения //Энергетика и топливные ресурсы Казахстана.- №4, 1995. -С.87-89.
2 Ескендиров Ш.З., Иманкулова К.Н., Даушеева Н.Н. Анализ влияния различных факторов на рост культуры ACT.AUREOFACIEUS и биосинтез тетрациклина //Наука и образование Южного Казахстана.- 1996.-№ 2. -С. 200-203.
3 Ескендиров Ш.З., Даушеева Н.Н. Математическое моделирование процесса получения кальция фосфорнокислого трехзамещенного в динамике //Наука и образование Южного Казахстана.- 1996.- №2. -С. 204-207.
4 Ескендиров Ш.З., Юнусова Д.У., Даушеева Н.Н. Моделирование каталитического процесса окисления фосфина //Труды научной конференции «История и современность», посвященная 55-летию Победы в ВОВ. Т. 3- Шымкент, 2000. -С.159-162.
5 Ескендиров Ш.З., Даушеева Н.Н., Тарасова Р.Н. Моделирование смешения в процессе получения реактивных фосфорных солей //Тр. Междунар.конф. «Современные проблемы химической технологии неорганических веществ».- Одесса.- 2001. -С.73-77.
6 Ескендиров Ш.З., Даушеева Н.Н., Тарасова Р.Н. Моделирование процесса смешения при получении реактивных фосфорных солей //Межвузовский сборник «Актуальные вопросы в области технических и фундаментальных наук», выпуск 1.- Ташкент, 2001. -С.114-118.
7 Ескендиров Ш.З., Даушеева Н.Н., Тарасова Р.Н. Модель реактора с промежуточным уровнем смешения в динамике //Тр. XVI Междунар. Конф. «Математическое моделирование, техника, технологии - ММТТ». – Ташкент, 2003. - С.97-101.
8 L.M. Musabekova, A.A. Yunusova, N.N. Dausheeva, Sh.Z. Eskendirov. Modeling of through-reactors with allowance for the characteristics of phases distribution //18th International Congress of Chemical and Process Engineering. CHISA-2008.- Praha, 2008. - Р.131-133.
9 Даушеева Н.Н., Ескендиров Ш.З., Тарасова Р.Н. Моделирование реакторов смешения с сегрегацией в динамике //Поиск.- 2008.- № 4. - С.310-314.
10 Даушеева Н.Н., Ескендиров Ш.З. Анализ переходных процессов реактора смешения // Вестник Академии Наук.- Алматы, 2008.- № 5. - С.41-43.
11 Ескендиров Ш.З., Даушеева Н.Н. Разработка программы расчета динамических характеристик реактора смешения //Тр. Межд.. науч.-прак. конф. «Химия в строительных материалах и материаловедение в ХХI веке». Т.4.- Шымкент, 2008. -С. 100-105.
Тйін
Даушеева Нржамал Нртреызы
Химиялы араластыру реакторларыны динамикалы сипаттамаларын есептеу жне лгілеу
Техника ылымдарыны кандидаты ылыми дрежесін алу шін дайындалан диссертация
05.17.08 – Химиялы технологиялар процесстері мен аппараттары
Зерттеу нысанасы. Гомогенді химиялы араластыру реакторы жне оны динамикалы сипттамалары зерттеу нысаны болып табылады.
Жмысты масаты. ндірістік араластыру реакторларын отайлы жобалау мен басару ммкіндігін амтамасыз ететін, араластыру реакторларыны динамикалы сипттамаларыны араласу аралы дегейін есепке ала отырып зерттеу жне математикалы лгісін растыру.
Жмысты жргізуді дістемесі. Химиялы технологиялар рдісіні аймаыда азіргі замана сай методологиялы жйелік талдау, ата математикалы дістерді олданудаы алынан орытындысы, ылыми нтижесі.
Жмысты нтижелері.
- жйелік талдау тарапынан аланда, бірнеше реагенттер аыныны арым-атынасы кезіндегі сйы фазалы жылжу реакторларын лгілеу мселелеріне жетелейтін трлі жолдар арастырылды. Соны салдары, жылжу дрежесін есепке алатын сйы фазалы реактор динамикасыны математикалы лгісін растыруа ммкіндік берді;
- жан-жаты нерксіптік жне зертханалы ондырылардаы эксперименталды зерттеулер негізінде реактор жмысыны гидродинамикалы режимдері (толы емес жылжу, сеграция эффекті, максималды жылжу), рдісті йымдастыру мен кірістік параметрлерге атысты реакторды тиімді жмыс туелділігі аныталды;
- реакторды режимдік жне рылымды параметрлеріне туелді лгілік химиялы реакция кмегімен зерттелетін рдіске, микрожылжу параметрін анытау мен баалау бойынша эксперименталды зерттеулерді дістемесі жне стратегиясы растырылды;
- растырылан лгі негізінде ауыспалы рдіс есептелініп, тратылы шарты аныталды;
- динамикадаы араласу реакторлы жйелеріні тратылыын есептеуге арналан рнек алынан;
- микроараласу параметрлері есебімен ндірістік реакторларды жобалы есептеу дістемесі жне алгоритмі астырылып, олданбалы компьютерлік бадарлама бумасы трінде іске асырылан.
Негізгі рылымды, технологиялы жне технико-эксплуатациялы сипаттамалар. Нтижелерді олдануда кірістік деректерге: сйы аындарыны шыын мінездемелері, реакторды рылымды параметрлері, жылу алмасуды йымдастыру, тиісті айналу дрежесі, реакторды эксплуатациялау жне жобалау нсаулары жатады.
Енгізу дрежесі. Наты жылына 3 875 000 тегелік экономикалы тиімділікпен, Тараз аласы, минералды тыайтыштар заутында «Казфосфат» ЖОО-да ш рет байалан фосфорно ышыл кальциін алу ндірісінде жаа реакторлы тйінді жобалау мен дамытылан рдіске енгізуді режимдері.
Енгізу сыныстар немесе ылыми- зерттеу жмыстарынын енгізілу нтижесі. Теоретикалы жне эксперименталды зерттелердін нтижелері жобалауды басшы сыныстарына, есептеулеріне жне араластыруды аралы дегейін есепке алып отырып химиялы араластыру реакторларыны режимдік параметрлерін рационалды тадау жнінін практикалы сыныстар сыну.
олдану аймаы. Техникалы шешім, растырылан дістемелік жне практикалы сыныстар монокальций фосфаты ндірісіні сас рдістерінде, калий тзы жне тыайтыштар, нерксіпті технологиялы рдістерді химиялы, мнайхимиялы жне аралас салаларында олданыс табуы ммкін.
Жмысты мнісі мен экономикалы тиімділігі. Наты жылына 3 875 000 тегелік экономикалы тиімділікпен, Тараз аласы, минералды тыайтыштар заутында «Казфосфат» ЖОО-да ш рет байалан фосфорно ышыл кальциін алу ндірісінде жаа реакторлы тйінді жобалау мен дамытылан рдіске енгізуді режимдері.
Зерттеу нысанасын дамыту жніндегі болжамды сыныстар. Математикалы лгілер жне эксперименттік зерттеулер негізінде, араластыру дегейіні есебімен сйыфазалы реакторларды жобалауда ылыми негіздеуді амтамасыз ететін есептеу дістемесі растырылды. Реакторды эксплуатациялау мен жобалау бойынша сыныстар, гомогендік, псевдогомогендік араластыру орталарында есеп жргізу рдістеріні аумаымен байланысты ылыми жне инженерлік-техникалы ндіріс ызметкерлерімен олданылуы ммкін. Сонымен атар ЖОО оытушыларымен «Химиялы технологияларды рдістері жне рылылары», «Басару объектілері жне лгілері» пндерін оып йренуде олданылуы ммкін.
Summary
Dausheyeva Nurgamal Nurtureyvna
Modeling and calculation of dynamic characteristics of chemical reactors of mixing
Thesis on the competition of a scientific degree of the candidat of technical science
05.17.08 – Processes and apparatuses of chemical technology
Objects of investigations are dynamic characteristics of homogeneous chemical reactors of with an intermediate level of mixing.
Purpose of the thesis is investigation of dynamic characteristics of the reactor mixing, to develop a mathematical model, provide the opportunity of optimal design and control of industrial CSTR.
Methods of investigations are system analysis methodology in the field of chemical technology processes, Runge-Kutta methods, Lyapunov design of experiments, optimization methods, mathematical modeling.
Research results:
1. Through the system analysis various approaches to a modeling problem of the liquid phase mixture reactors are considered at interaction of several streams of reagents that has allowed to develop mathematical model of dynamics of the liquid phase reactor, considering mixture level.
2. On the basis of all-round experimental researches using laboratory and plants hydrodynamic operating modes of the reactor (incomplete mixture, segregation effect, the maximum combination) and dependence of effective work of the reactor on input parameters and the process organization are defined.
3. By an estimation and definition of parameter of micromixture strategy and a technique of experimental researches is developed for investigated process with use of modeling chemical reaction which depends from regime and reactor design data.
4. On the basis of the developed model transients are calculated, stability conditions are defined.
5. Results of researches have allowed to develop recommendations about perfection of a mode of conducting process and to designing of new reactor site in manufacture of trisubstituted calcium phosphate in the activity of the joint-stock company Taraz with real economic benefit 3 875 000 KZT per year.
6. Also for research and optimization of non-stationary operating modes of the liquid phase mixture reactors, for parametrical identification of the models described by systems of the differential equations, software is developed, realized in the environment of Delphi 7.
The main constructive, technological and technique- exploiting characteristics are: Flow characteristics of fluid flows, the design parameters of the reactor, heat removal organization, required degree of transformation.
Introduction degree: Main provisions made in the confirmed experimental-industrial tests on the liquid-phase of chemical reactors of mixing.
Introduction recommendations of scientific research work. The research results have allowed to give recommendations to improve the regime of the process in the manufacture of obtaining calcium phosphate Tricalcium on the plant fertilizer «Kazphosphat» Taraz t. The theoretical and experimental research, developed techniques and practical advice can be applied to similar manufacturing processes Monocalcium phosphate, potassium salts and fertilizers.
Using area of the thesis results is the practice of engineering calculations, modeling and optimizing under the chemical reactors design in project and research institutions as far as for the university studies.
Economical efficiency of the thesis Results of researches perfection of a mode of conducting process on the plant Fertilizer in Taraz with real economic benefit 3 875 000 KZT per year.
Prognosis of the investigations object development Results of researches of hydrodynamic laws of mixing in non-stationary conditions, a calculation procedure the recommendation about designing and operation of the liquid phase reactor can be used by scientific and technical officers of plants, whose subject domain is connected with carrying out and calculation of processes in homogeneous, pseudohomogeneous mixed environments.
.
Подписано в печать 26.11.10 г. Формат бумаги 60
84 1/16
Объем 1.25 п.л. Заказ № 1988. Тираж 100.
Типография ЮКГУ им. М. Ауезова, пр. Тауке хана, 5
