Ηλεκτρικός πυκνωτής. Αρχή λειτουργίας. Χωρητικότητα. Μαθηματικό μοντέλο. Σχέδιο. Τύποι, τύποι, κατηγορίες, ταξινόμηση. Βασικό μαθηματικό μοντέλο επιστημονικού και βιομηχανικού συγκροτήματος. Επιλογές εγκατάστασης. Ατμοστρόβιλος Μαθηματικά μοντέλα κύριας συσκευής

Ενότητα «Μοντελοποίηση φυσικών, μηχανικών και θερμικών διεργασιών σε μηχανές και συσκευές»

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗ-ΕΞΑΤΜΙΣΤΗ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΑΕΡΑ

V. V. Chernenko, D. V. Chernenko

Το Κρατικό Αεροδιαστημικό Πανεπιστήμιο της Σιβηρίας πήρε το όνομά του από τον ακαδημαϊκό M. F. Reshetnev

Russian Federation, 660037, Krasnoyarsk, ave. τους. αέριο. "Εργάτης του Κρασνογιάρσκ", 31

ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΔΙΕΥΘΥΝΣΗ: [email προστατευμένο]

Εξετάζεται ένα μαθηματικό μοντέλο του συμπυκνωτή-εξατμιστήρα κρυογονικών μονάδων διαχωρισμού αέρα, που βασίζεται στην κοινή λύση των εξισώσεων υδροδυναμικής και μεταφοράς θερμότητας για σωληνοειδείς συσκευές.

Λέξεις κλειδιά: συμπυκνωτής-εξατμιστήρας, μαθηματικό μοντέλο, σχεδιασμός, βελτιστοποίηση.

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΟ ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΓΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΔΙΑΧΩΡΙΣΜΟΥ ΑΕΡΑ ΕΞΑΤΜΙΣΤΗ-ΣΥΜΠΥΚΝΩΤΗΣ

V. V. Chernenko, D. V. Chernenko

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: [email προστατευμένο]

Το μαθηματικό μοντέλο εξατμιστήρα-συμπυκνωτή κρυογονικών μονάδων διαχωρισμού αέρα, βασισμένο στην ταυτόχρονη λύση υδροδυναμικών και εξισώσεων ανταλλαγής θερμότητας για τις σωληνοειδείς συσκευές.

Λέξεις κλειδιά: εξατμιστής-συμπυκνωτής, μαθηματικό μοντέλο, σχεδιασμός, βελτιστοποίηση.

Οι συμπυκνωτές-εξατμιστήρες σε μονάδες διαχωρισμού αέρα (ASU) χρησιμοποιούνται για τη συμπύκνωση του αζώτου λόγω του βρασμού του οξυγόνου, δηλ. Είναι εναλλάκτες θερμότητας με αλλαγή στην κατάσταση συσσωμάτωσης και των δύο μέσων που εμπλέκονται στη διαδικασία ανταλλαγής θερμότητας.

Η απόδοση του συμπυκνωτή-εξατμιστήρα καθορίζει σε μεγάλο βαθμό την απόδοση ολόκληρης της εγκατάστασης. Για παράδειγμα, μια αύξηση της διαφοράς θερμοκρασίας μεταξύ των μέσων ανταλλαγής θερμότητας κατά 1 °K οδηγεί σε αύξηση της κατανάλωσης ενέργειας για συμπίεση αέρα στο 5% του συνολικού ενεργειακού κόστους. Από την άλλη πλευρά, μια μείωση της πίεσης θερμοκρασίας κάτω από την οριακή τιμή οδηγεί στην ανάγκη για σημαντική αύξηση της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας. Λαμβάνοντας υπόψη την υψηλή κατανάλωση ενέργειας και την κατανάλωση μετάλλου των συσκευών ASU, η ανάγκη βελτιστοποίησης κάθε στοιχείου τους, συμπεριλαμβανομένου του συμπυκνωτή-εξατμιστήρα, γίνεται εμφανής.

Η πιο κατάλληλη μέθοδος για τη μελέτη και τη βελτιστοποίηση τέτοιων μεγάλων και ακριβών αντικειμένων είναι η μαθηματική μοντελοποίηση, καθώς σας επιτρέπει να εξετάσετε και να συγκρίνετε αντικειμενικά πολλές διαφορετικές επιλογές και να επιλέξετε την πιο αποδεκτή, καθώς και να περιορίσετε την κλίμακα του φυσικού πειράματος ελέγχοντας την επάρκεια του μοντέλου και τον προσδιορισμό των αριθμητικών τιμών των συντελεστών που δεν μπορούν να ληφθούν αναλυτικά.

Οι συμπυκνωτές-εξατμιστήρες ASU λειτουργούν σε λειτουργία φυσικής κυκλοφορίας, κατά συνέπεια, έχουν μια πολύπλοκη σχέση μεταξύ των θερμικών και υδραυλικών χαρακτηριστικών της διαδικασίας εξάτμισης. Η μεταφορά θερμότητας από το βραστό υγρό καθορίζεται από τον ρυθμό κυκλοφορίας, ο οποίος, με τη σειρά του, μπορεί να βρεθεί από υδραυλικούς υπολογισμούς με γνωστές τιμές ροών θερμότητας και γεωμετρικές διαστάσεις της επιφάνειας ανταλλαγής θερμότητας, που είναι η συνάρτηση στόχος του προβλήματος βελτιστοποίησης . Επιπλέον, η διαδικασία βρασμού λαμβάνει χώρα ταυτόχρονα με τη διαδικασία συμπύκνωσης, η οποία επιβάλλει περιορισμούς στην αναλογία των ροών θερμότητας και των πιέσεων θερμοκρασίας και των δύο διεργασιών. Έτσι, το μοντέλο θα πρέπει να κατασκευαστεί με βάση ένα σύστημα εξισώσεων που περιγράφουν την κυκλοφορία του υγρού που βράζει και τις διαδικασίες μεταφοράς θερμότητας και στις δύο πλευρές της επιφάνειας μεταφοράς θερμότητας.

Σύγχρονα προβλήματα αεροπορίας και αστροναυτικής - 2016. Τόμος 1

Το μοντέλο που παρουσιάζεται, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 1 περιλαμβάνει τις πιο τυπικές περιπτώσεις που συναντώνται στο σχεδιασμό και τη λειτουργία συμπυκνωτών εξατμιστή. Η μέθοδος υπολογισμού βασίζεται στην αρχή των διαδοχικών προσεγγίσεων.

Χρησιμοποιούνται οι ακόλουθοι συντελεστές εισόδου: η τιμή του συνολικού θερμικού φορτίου. πίεση στην πλευρά που βράζει. πίεση στην πλευρά συμπύκνωσης. συγκέντρωση των ατμών που εξατμίζονται σε O2. συγκέντρωση συμπυκνώματος κατά N2; ύψος, εξωτερική και εσωτερική διάμετρος σωλήνων.

Το μπλοκ προεπιλεγμένων παραμέτρων περιλαμβάνει τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών βρασμού και συμπύκνωσης των μέσων εργασίας, λαμβάνοντας υπόψη τις ακαθαρσίες, καθώς και μια προκαταρκτική εκτίμηση των τιμών της διαθέσιμης πίεσης θερμοκρασίας και της μέσης ειδικής ροής θερμότητας στην ενεργή επιφάνεια του τμήματος θέρμανσης από την πλευρά του υγρού που βράζει, απαραίτητο για την έναρξη του υδραυλικού υπολογισμού.

Ο σκοπός του υδραυλικού υπολογισμού είναι ο προσδιορισμός του ρυθμού κυκλοφορίας, του μήκους της ζώνης του εξοικονομητή, των πιέσεων και των θερμοκρασιών σε χαρακτηριστικά τμήματα του καναλιού. Για τον υπολογισμό, χρησιμοποιείται ένα παραδοσιακό κυκλικό διάγραμμα με φυσική κυκλοφορία υγρού (Εικ. 2).

1 Συντελεστές εισόδου /

Προεπιλογή παραμέτρων

Υδραυλικός υπολογισμός

Θερμικός υπολογισμός

Μεταφορά θερμότητας κατά τη συμπύκνωση

Θερμοκρασία ανάκρουσης όταν βράζει

Σύγκλιση αποτελεσμάτων υπολογισμού και επιλεγμένων - _ τιμών

Παράμετροι εξόδου

Ρύζι. 1. Διάγραμμα σχεδίασης του μοντέλου συμπυκνωτή-εξατμιστήρα ASU

Ρύζι. 2. Υδραυλικό μοντέλο του συμπυκνωτή-εξατμιστήρα ASU: I - μήκος σωλήνα. 1op - μήκος του κάτω μέρους. /ek - μήκος του τμήματος εξοικονομητή. 4ip - μήκος του τμήματος που βράζει. 1р - μήκος εργασίας. ω0 - ταχύτητα κυκλοφορίας

Ο στόχος του θερμικού υπολογισμού είναι να αποσαφηνίσει την τιμή της πυκνότητας ροής θερμότητας στο ενεργό τμήμα του σωλήνα με βάση τα αποτελέσματα του υδραυλικού υπολογισμού, καθώς και να αποσαφηνίσει τη διαθέσιμη πίεση θερμοκρασίας λαμβάνοντας υπόψη την υδροστατική πίεση και την πίεση της θερμοκρασίας συγκέντρωσης. Η μονάδα υπολογισμού συμπύκνωσης χρησιμοποιεί ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας για τη συμπύκνωση ενός ατμού ενός συστατικού σε έναν κατακόρυφο τοίχο με μια στρωτή ροή του φιλμ συμπυκνώματος. Η μονάδα υπολογισμού βρασμού βασίζεται σε ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας σε διφασική ροή σε έναν σωλήνα.

Ενότητα «Μοντελοποίηση φυσικομηχανικών και θερμικών διεργασιών σε μηχανές και συσκευές»

Οι υδραυλικοί και θερμικοί υπολογισμοί επαναλαμβάνονται με την ίδια σειρά εάν οι προκαταρκτικές και υπολογισμένες τιμές της πυκνότητας ροής θερμότητας διαφέρουν περισσότερο από 5%. Η ακρίβεια υπολογισμού, κατά κανόνα, αποδεικνύεται επαρκής μετά τη δεύτερη προσέγγιση.

Οι παράμετροι εξόδου είναι η επιφάνεια ανταλλαγής θερμότητας, η διάμετρος του κεντρικού σωλήνα κυκλοφορίας, ο αριθμός και η διάταξη των σωλήνων στο φύλλο σωλήνα και η διάμετρος του περιβλήματος της συσκευής.

1. Narinsky G. B. Ισορροπία υγρού-ατμού σε συστήματα οξυγόνου-αργού, αργού-αζώτου και οξυγόνου-αργού-αζώτου // Proceedings of VNIIKIMASH. 1967. Τομ. έντεκα ; 1969. Τομ. 13.

2. Grigoriev V. A., Krokhin Yu I. Συσκευές μεταφοράς θερμότητας και μάζας της κρυογονικής τεχνολογίας: εγχειρίδιο. εγχειρίδιο για τα πανεπιστήμια. Μ.: Energoizdat, 1982.

3. Διαχωρισμός αέρα με μέθοδο βαθιάς ψύξης. 2η έκδ. Τ. 1 / επιμ. V. I. Epifanova και L. S. Axelrod. Μ.: Μηχανολόγος Μηχανικός, 1973.

© Chernenko V.V., Chernenko D.V., 2016

Το πιο σημαντικό: Ένας ηλεκτρικός πυκνωτής μπορεί να αποθηκεύσει και να απελευθερώσει ηλεκτρική ενέργεια. Ταυτόχρονα, το ρεύμα ρέει μέσα από αυτό και η τάση αλλάζει. Η τάση κατά μήκος του πυκνωτή είναι ανάλογη με το ρεύμα που διέρχεται από αυτόν για μια ορισμένη χρονική περίοδο και τη διάρκεια αυτής της περιόδου. Ένας ιδανικός πυκνωτής δεν παράγει θερμική ενέργεια. Εάν εφαρμοστεί εναλλασσόμενη τάση σε έναν πυκνωτή, θα προκύψει ηλεκτρικό ρεύμα στο κύκλωμα. Η ισχύς αυτού του ρεύματος είναι ανάλογη της συχνότητας της τάσης και της χωρητικότητας του πυκνωτή. Για την εκτίμηση του ρεύματος σε μια δεδομένη τάση, εισάγεται η έννοια της αντίδρασης πυκνωτή. Η ποικιλία των τύπων και των τύπων πυκνωτών σας επιτρέπει να επιλέξετε τον σωστό.

Ο πυκνωτής είναι μια ηλεκτρονική συσκευή που έχει σχεδιαστεί για να συσσωρεύει και στη συνέχεια να απελευθερώνει ένα ηλεκτρικό φορτίο. Η απόδοση ενός πυκνωτή σχετίζεται άμεσα με το χρόνο. Χωρίς να ληφθεί υπόψη η αλλαγή της φόρτισης με την πάροδο του χρόνου, είναι αδύνατο να περιγραφεί η λειτουργία ενός πυκνωτή.

Δυστυχώς, τα λάθη εντοπίζονται περιοδικά σε άρθρα, διορθώνονται, τα άρθρα συμπληρώνονται, αναπτύσσονται και ετοιμάζονται νέα.

Πώς λειτουργεί ένας σταθεροποιητής τάσης flyback; Πού χρησιμοποιείται; Περιγραφή...

Ανάλογο τρανζίστορ ενός θυρίστορ (dinistor / trinistor). Προσομοιωτής...
Κύκλωμα αναλόγου θυρίστορ (δίοδος και τρίοδος) με χρήση τρανζίστορ. Υπολογισμός παραμέτρων...

Μετατροπέας τάσης με σταθεροποιημένο παλμό,...
Πώς λειτουργεί ένας σταθεροποιητής μπροστινής τάσης; Περιγραφή της αρχής λειτουργίας. Π...

Επαγωγέας. Βιομηχανοποίηση. Κούρδισμα. Φτιαχνω, κανω. Καρούλι. Μ...
Κατασκευή επαγωγέα. Θωράκιση περιέλιξης...

Κατά τη μελέτη της δυναμικής του ελέγχου του στροβίλου, η μεταβολή της πίεσης pg στον συμπυκνωτή συνήθως δεν λαμβάνεται υπόψη, υποθέτοντας lg = kp £1pl = 0. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις η εγκυρότητα αυτής της υπόθεσης δεν είναι προφανής. Έτσι, κατά τον έλεγχο έκτακτης ανάγκης των στροβίλων θέρμανσης, το άνοιγμα του περιστροφικού διαφράγματος μπορεί να αυξήσει γρήγορα τη ροή του ατμού μέσω του LPC. Αλλά σε χαμηλούς ρυθμούς ροής του κυκλοφορούντος νερού, χαρακτηριστικό των συνθηκών υψηλών θερμικών φορτίων του στροβίλου, η συμπύκνωση αυτού του πρόσθετου ατμού μπορεί να προχωρήσει αργά, γεγονός που θα οδηγήσει σε αύξηση της πίεσης στον συμπυκνωτή και μείωση του κέρδους ισχύος. Ένα μοντέλο που δεν λαμβάνει υπόψη τις διεργασίες στον πυκνωτή θα δώσει μια υπερεκτιμημένη απόδοση της σημειωθείσας μεθόδου αύξησης της εγχυσιμότητας σε σύγκριση με την πραγματική. Η ανάγκη να λαμβάνονται υπόψη οι διεργασίες στον συμπυκνωτή προκύπτει επίσης όταν χρησιμοποιείται ένας συμπυκνωτής ή το ειδικό διαμέρισμα του ως το πρώτο στάδιο του νερού θέρμανσης του δικτύου σε στρόβιλους θέρμανσης, καθώς και όταν ρυθμίζονται οι τουρμπίνες θέρμανσης που λειτουργούν με υψηλά θερμικά φορτία χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της ολίσθησης πίεση στον συμπυκνωτή και σε πολλές άλλες περιπτώσεις.
Ο συμπυκνωτής είναι ένας επιφανειακός εναλλάκτης θερμότητας και οι παραπάνω αρχές της μαθηματικής μοντελοποίησης των θερμαντικών επιφανειών ισχύουν πλήρως σε αυτόν. Ακριβώς όπως για αυτούς, για έναν πυκνωτή θα πρέπει να γράψουμε τις εξισώσεις της διαδρομής του νερού είτε υποθέτοντας ότι οι παράμετροι είναι κατανεμημένες [εξισώσεις (2.27) - (2.33)] είτε λαμβάνοντας περίπου υπόψη την κατανομή των παραμέτρων διαιρώντας τη διαδρομή σε αριθμός τμημάτων με αθροιστικές παραμέτρους [εξισώσεις (2.34) - (2.37)]. Αυτές οι εξισώσεις πρέπει να συμπληρωθούν με τις εξισώσεις (2.38)–(2.40) για τη συσσώρευση θερμότητας στο μέταλλο και τις εξισώσεις για το χώρο ατμών. Κατά τη μοντελοποίηση του τελευταίου, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η παρουσία στον χώρο ατμού, μαζί με τον ατμό, ορισμένης ποσότητας αέρα λόγω της εισροής του μέσω διαρροών στο τμήμα κενού της μονάδας στροβίλου. Το γεγονός ότι ο αέρας δεν συμπυκνώνεται καθορίζει την εξάρτηση των διαδικασιών αλλαγής πίεσης στον συμπυκνωτή από τη συγκέντρωσή του. Το τελευταίο καθορίζεται τόσο από την ποσότητα εισροής όσο και από τη λειτουργία των εκτοξευτήρων, αντλώντας αέρα έξω από τον συμπυκνωτή μαζί με μέρος του ατμού. Επομένως, το μαθηματικό μοντέλο του χώρου ατμών θα πρέπει, στην ουσία, να είναι ένα μοντέλο του συστήματος «χώρος ατμών συμπυκνωτή - εκτοξευτές».

Αντίσταση

Το μαθηματικό μοντέλο της αντίστασης (Εικ. 2.1) περιγράφεται από το νόμο του Ohm:

U R =IR, ή I=gU R, όπου g=1/R.

Στην πρώτη περίπτωση, καθορίζεται η πτώση τάσης U R κατά μήκος της αντίστασης και η επιθυμητή τιμή είναι το ρεύμα I μέσω της αντίστασης. Στη δεύτερη περίπτωση, καθορίζεται το ρεύμα I μέσω μιας αντίστασης και η επιθυμητή τιμή είναι U R κατά μήκος της αντίστασης.

ονομαστική τιμή αντίστασης R N;

ανοχή αντίστασης R;

συντελεστής θερμοκρασίας TCR.

Η ανοχή R είναι το όριο των αποκλίσεων αντίστασης από την ονομαστική τιμή που προκύπτουν κατά τη διαδικασία κατασκευής των αντιστάσεων:

Σε αυτή την περίπτωση, οι αντιστάσεις των αντιστάσεων κατά την παραγωγή τους μπορούν να λάβουν τις ακόλουθες τιμές:

Εάν η τιμή αντίστασης R είναι μικρότερη από την ονομαστική R H , τότε η σχετική απόκλιση R/ R H  0, διαφορετικά R/ R H  0.

Συνήθως η ανοχή R προσδιορίζεται ως ποσοστό.

Ο συντελεστής θερμοκρασίας TKR ορίζει την τιμή αντίστασης για την τρέχουσα θερμοκρασία T:

όπου Τ Ν – ονομαστική τιμή θερμοκρασίας που λαμβάνεται ίση με 27 0 C.

Έτσι, το TKR ισούται με τη σχετική απόκλιση της αντίστασης από την ονομαστική τιμή όταν η θερμοκρασία αλλάζει κατά 1 0 C. Μερικές φορές το TKR ρυθμίζεται σε propromil (ppm) :

TKR ppm = TKR  10 6 .

Πυκνωτής

Το μαθηματικό μοντέλο του πυκνωτή (Εικ. 2.2) γράφεται ως:

ή

Στην πρώτη περίπτωση, η δεδομένη τιμή είναι η πτώση τάσης U C (t) κατά μήκος του πυκνωτή και η επιθυμητή τιμή είναι το ρεύμα μέσω του πυκνωτή I(). Στη δεύτερη περίπτωση, η δεδομένη τιμή είναι το ρεύμα μέσω του πυκνωτή I(t) και η επιθυμητή τιμή είναι η πτώση τάσης U C (t).

Παράμετροι του μαθηματικού μοντέλου:

ονομαστική τιμή χωρητικότητας CH;

ανοχή χωρητικότητας С;

συντελεστής θερμοκρασίας TKC.

Η έννοια της ανοχής και του συντελεστή θερμοκρασίας δόθηκε κατά την περιγραφή του μοντέλου της αντίστασης.

Επαγωγέας

Ο επαγωγέας (Εικ. 2.3) περιγράφεται από δύο μαθηματικά μοντέλα:

ή

Οι παράμετροι του μαθηματικού μοντέλου είναι L H , Λ , TKL, τα περιεχόμενα του οποίου είναι παρόμοια με αυτά που εξετάζονται για την αντίσταση και τον πυκνωτή.

Τα πραγματικά μοντέλα μιας αντίστασης, ενός πυκνωτή και μιας αυτεπαγωγής είναι πιο περίπλοκα από αυτά που συζητούνται εδώ.

Έτσι, μοντέλα ακόμη και των πιο απλών συστατικών μπορεί να είναι αρκετά περίπλοκα εάν απαιτείται υψηλός βαθμός επάρκειας των παραμέτρων ενός φυσικού αντικειμένου και του μαθηματικού του μοντέλου.

Μετασχηματιστής διπλής περιέλιξης

Ο μετασχηματιστής (Εικ. 2.4) μπορεί να αναπαρασταθεί ως το ακόλουθο μαθηματικό μοντέλο:

όπου L 1, L 2 είναι οι επαγωγές των περιελίξεων,

M 12 – αμοιβαία επαγωγή.

Οι παράμετροι του μοντέλου είναι οι τιμές των L 1, L 2 και ο συντελεστής σύζευξης

Η τιμή του K SV κυμαίνεται από μηδέν έως ένα. Η τιμή του K SV = 1 υποδηλώνει την παρουσία μιας άκαμπτης σύνδεσης μεταξύ των περιελίξεων, η οποία είναι τυπική για μετασχηματιστές αντιστοίχισης και ισχύος και για μετασχηματιστές εξόδου ενισχυτών. Κ τιμή NE<1 говорит о наличии в трансформаторе индуктивности рассеяния, что приводит к уменьшению коэффициента передачи на высоких частотах. Такие трансформаторы используются в резонансных контурах фильтров.

Μερικές φορές καθορίζονται οι ακόλουθες παράμετροι:

Εκτός από τις παραμέτρους που αναφέρονται, πρέπει να υποδείξετε τη μέθοδο ενεργοποίησης των περιελίξεων - σύμφωνο ή μετρητή.

Η βιομηχανική παραγωγή στοιχειακού θείου με τη μέθοδο Claus βασίζεται στη μερική οξείδωση του υδρόθειου στο αρχικό όξινο αέριο με ατμοσφαιρικό οξυγόνο και διοξείδιο του θείου.

Όπως είναι γνωστό, η σύνθεση του όξινου αερίου, εκτός από το H 2 S, συνήθως περιλαμβάνει: CO 2, H 2 O και υδρογονάνθρακες. Αυτό προκαλεί παράπλευρες χημικές αντιδράσεις που μειώνουν την απόδοση του θείου.

Η ποσότητα κάθε συστατικού από αυτό το σύνολο ακαθαρσιών επηρεάζει την επιλογή μιας ή άλλης τροποποίησης της διαδικασίας Claus.

Στην περίπτωσή μας, το αρχικό όξινο αέριο αποτελείται από περίπου. 95% Vol. H2S; 3,5% vol. H2O; έως 2% vol. υδρογονάνθρακες.

Στην παγκόσμια πρακτική, τα όξινα αέρια αυτής της σύνθεσης μεταποιούνται σε θείο σύμφωνα με την πιο ορθολογική «άμεση διαδικασία Claus».

Στο θερμικό στάδιο της διαδικασίας, εμφανίζονται αντιδράσεις μερικής οξείδωσης του υδρόθειου τόσο σε θείο όσο και σε διοξείδιο του θείου. Και επίσης οι αντιδράσεις αλληλεπίδρασης των στοιχείων που υπάρχουν στο σύστημα, για παράδειγμα:

2H 2 S + O 2 = S 2 + 2H 2 O + 37550 kcal/kmol H 2 S

2H 2 S + 3O 2 = 2SO 2 + 2H 2 O + 125000 kcal/kmol H 2 S

2H 2 S + SO 2 = 3S + 2H 2 O

H 2 S + CO 2 = COS + H 2 O - 6020 kcal/kmol COS

CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 O + 192000 kcal/kmol CH 4

Κατά την έξοδο από το θερμικό στάδιο στο αέριο, εκτός από το προϊόν στόχο - το στοιχειακό θείο - υπάρχουν και άλλα συστατικά: H 2 S, CO 2, COS, CS 2, CO 2, H 2 O, CO, H 2 και Ν 2.

Ο βαθμός μετατροπής (μετατροπής) του αρχικού υδρόθειου σε θείο στο θερμικό στάδιο της διεργασίας μπορεί να φτάσει σε τιμή περίπου 70%.

Η διασφάλιση συνολικής μετατροπής άνω του 70% για την εγκατάσταση επιτυγχάνεται με τη διαδοχική σύνδεση πολλών καταλυτικών σταδίων στο θερμικό σύστημα. Στην τελευταία, διατηρούνται συνθήκες λειτουργίας για τη διεργασία κατά τις οποίες όλα τα συστατικά του αερίου διεργασίας που περιέχουν θείο εισέρχονται σε χημικές αντιδράσεις με την απελευθέρωση θείου, για παράδειγμα:

2H 2 S + SO 2 = 3/N S N + 2H 2 O + Q 1,

2COS + SO 2 = 3/N S N + 2CO 2 + Q 2, όπου N=2-8

Εκτός από τους περιγραφόμενους χημικούς μετασχηματισμούς Claus, συμβαίνουν διεργασίες συμπύκνωσης θείου και δέσμευσης υγρού θείου που μοιάζει με ομίχλη και σταγονίδια.

Η συμπύκνωση εμφανίζεται σε συσκευές ειδικά σχεδιασμένες για αυτό το σκοπό - συμπυκνωτές-γεννήτριες όταν το αέριο ψύχεται κάτω από το σημείο δρόσου των ατμών θείου.

Της συμπύκνωσης προηγείται η αντίδραση σύνδεσης πολυμερών θείου στη μορφή S8.

8/N S N -> S 8 + Q 3

S 8 (αέριο) -> S 8 (υγρό) + 22860 kcal/kmol

η διαδικασία συλλογής σταγονιδίων συμβαίνει στους θαλάμους εξόδου των συμπυκνωτών, οι οποίοι είναι εξοπλισμένοι με δικτυωτούς προφυλακτήρες. Σε αυτούς τους προφυλακτήρες, η ομίχλη θείου και τα σταγονίδια πήζουν, τα οποία στη συνέχεια απομακρύνονται από τη ροή του αερίου υπό την επίδραση βαρυτικών και αδρανειακών δυνάμεων, επιπλέον, μια ειδική συσκευή, μια παγίδα θείου, που είναι εγκατεστημένη μετά τη γεννήτρια συμπυκνωτή τελευταίου σταδίου. σκοπός.

Υπολογισμός βασικών τεχνολογικών συσκευών.

Το μαθηματικό μοντέλο χαρακτηρίζεται από τις ακόλουθες κύριες παραμέτρους:

α) όνομα του αντικειμένου: μονάδα παραγωγής θείου, συμπεριλαμβανομένου ενός θερμικού αντιδραστήρα, ενός καταλυτικού αντιδραστήρα, ενός συμπυκνωτή θείου, ενός θερμαντήρα κλιβάνου και ενός αναμικτήρα.

β) μέθοδος μοντελοποίησης ενός αντικειμένου: μαθηματική μοντελοποίηση μεμονωμένων συσκευών και ολόκληρης της εγκατάστασης Υπολογισμός εξισώσεων φάσης και χημικής ισορροπίας, ισοζύγια υλικών και θερμότητας των συσκευών.

γ) όνομα της παραμέτρου: 1. Σύνθεση συστατικού, 2. Θερμοκρασία, 3. Πίεση, 4. Ενθαλπία ροών του τεχνολογικού σχήματος εγκαταστάσεων παραγωγής στοιχειακού θείου.

δ) εκτίμηση παραμέτρων αντικειμένου: σχετικό σφάλμα μεταξύ υπολογισμένων και πειραματικών δεδομένων<= 5%.

Περίληψη: το αναπτυγμένο μοντέλο επιτρέπει

1. Υπολογίστε τεχνολογικά σχήματα διαφόρων τροποποιήσεων (οποιοσδήποτε αριθμός καταλυτικών σταδίων, "1/3 -2/3", κ.λπ.),

2. Επίλυση αντίστροφων προβλημάτων μαθηματικής μοντελοποίησης, συμπεριλαμβανομένης της διασφάλισης των επιθυμητών χαρακτηριστικών των ροών (αναλογία H 2 S+COS/SO 2 = 2, θερμοκρασίες σε οποιοδήποτε σημείο του διαγράμματος ροής διεργασίας) κ.λπ.

Ο υπολογισμός της συσκευής εγκατάστασης πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας ένα πακέτο προγραμμάτων εφαρμογών που καταρτίζονται σύμφωνα με μαθηματικά μοντέλα που βασίζονται στις αρχές της χημικής θερμοδυναμικής. Η σύνθεση των μαθηματικών μοντέλων καθορίζεται από τις συσκευές που περιλαμβάνονται στο τεχνολογικό σχήμα της μονάδας παραγωγής θείου, οι κυριότερες από τις οποίες είναι οι ακόλουθες:

Αντιδραστήρας-γεννήτρια;

Καταλυτικός μετατροπέας;

Θερμαντήρας αερίου διεργασίας;

Αναμικτής;

Ενεργειακός-τεχνολογικός εξοπλισμός (πυκνωτές θείου).

Η βάση του μαθηματικού λογισμικού αποτελείται από μοντέλα αυτών των συσκευών. Στο μαθηματικό λογισμικό, χρησιμοποιούνται ευρέως οι υπολογιστικές μέθοδοι των Newton, Wolf, Wegstein και «secants», οι οποίες εφαρμόζουν επαναληπτικούς υπολογισμούς των ισοζυγίων υλικών και θερμότητας μεμονωμένων συσκευών και το τεχνολογικό σχήμα στο σύνολό του.

Επί του παρόντος, η λειτουργία των προγραμμάτων εφαρμογής για τον υπολογισμό των μονάδων παραγωγής θείου πραγματοποιείται υπό τον έλεγχο της γλώσσας Comfort με γνώμονα τα προβλήματα, χρησιμοποιώντας μια τράπεζα φυσικών και χημικών ιδιοτήτων ουσιών.

Μαθηματικά μοντέλα βασικών συσκευών.

Τα αναπτυγμένα μοντέλα συσκευών για μονάδες παραγωγής θείου βασίζονται στις αρχές της θερμοδυναμικής. Οι σταθερές ισορροπίας των φυσικοχημικών διεργασιών υπολογίζονται μέσω μειωμένων δυναμικών Gibbs χρησιμοποιώντας δεδομένα που περιέχονται σε τυπικούς θερμοδυναμικούς πίνακες.

Τα τεχνολογικά σχήματα των μονάδων παραγωγής θείου είναι πολύπλοκα χημικο-τεχνολογικά συστήματα που αποτελούνται από ένα σύνολο συσκευών διασυνδεδεμένων με τεχνολογικές ροές και λειτουργούν ως ενιαίο σύνολο, στο οποίο λαμβάνουν χώρα οι διαδικασίες οξείδωσης H 2 S, συμπύκνωσης θείου κ.λπ. Κάθε συσκευή αντιστοιχεί σε μία ή περισσότερες ενότητες λογισμικού που είναι κατασκευασμένες βάσει μιας αρχής μπλοκ. Κάθε μπλοκ περιγράφεται από ένα σύστημα εξισώσεων που αντικατοπτρίζει τη σχέση μεταξύ των φυσικοχημικών και θερμοδυναμικών παραμέτρων των διεργασιών, των ρυθμών ροής, των συνθέσεων, των θερμοκρασιών και των ενθαλπιών των ροών εισόδου και εξόδου.

Για παράδειγμα, το τεχνολογικό διάγραμμα μιας μονάδας παραγωγής θείου τριών σταδίων μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής:

P I - I-η ροή του τεχνολογικού σχήματος,

Και το J είναι το J-ο μπλοκ (συσκευή) του τεχνολογικού σχήματος.

Για τη μοντελοποίηση τεχνολογικών σχημάτων εργοστασίων παραγωγής θείου, έχει εισαχθεί μια ενοποιημένη δομή ροών που συνδέουν μπλοκ (συσκευές), η οποία περιλαμβάνει:

Συστατική σύνθεση του πρώτου ρεύματος [mol/ώρα]

Θερμοκρασία [βαθμοί C]

Πίεση [atm]

Ενθαλπία [J/ώρα]

Για κάθε συσκευή του τεχνολογικού σχήματος προσδιορίζονται οι παραπάνω παράμετροι ροής.

Ακολουθεί μια περιγραφή του υπολογισμού του κυκλώματος στο σύστημα Comfort:

Μοντέλο φούρνου αντιδραστήρα-γεννήτριας (REAC)

Το μαθηματικό μοντέλο περιγράφει τη διαδικασία οξείδωσης όξινου αερίου που περιέχει υδρόθειο σε θερμικό αντιδραστήρα και σε θερμαντήρες κλιβάνων. Το μοντέλο κατασκευάζεται λαμβάνοντας υπόψη τη χημική, φάση και θερμική ισορροπία των εξερχόμενων ροών και τη συνολική θερμοκρασία. Αυτές οι παράμετροι βρίσκονται από την επίλυση ενός συστήματος μη γραμμικών εξισώσεων ισοζυγίων υλικών και θερμότητας, χημικής και φασικής ισορροπίας. Οι σταθερές ισορροπίας που περιλαμβάνονται στις εξισώσεις ισορροπίας βρίσκονται μέσω μεταβολών στην ενέργεια Gibbs στις αντιδράσεις σχηματισμού ουσίας.

Τα αποτελέσματα υπολογισμού είναι: σύνθεση συστατικού, πίεση (καθορισμένη), θερμοκρασία, ενθαλπία και παροχή εξόδου.

Μοντέλο καταλυτικού μετατροπέα (REAST).

Για να περιγραφούν οι διεργασίες που συμβαίνουν στον καταλυτικό μετατροπέα, υιοθετήθηκε το ίδιο μαθηματικό μοντέλο όπως για την περιγραφή των κλιβάνων που λειτουργούν με όξινο αέριο.

Μοντέλο πυκνωτή-γεννήτρια (οικονομιστής) (CONDS).

Το μαθηματικό μοντέλο βασίζεται στον προσδιορισμό της πίεσης ισορροπίας των ατμών θείου σε μια δεδομένη θερμοκρασία στη συσκευή. Οι παράμετροι του εξερχόμενου ρεύματος καθορίζονται από την συνθήκη της θερμοδυναμικής ισορροπίας των αντιδράσεων μετάβασης θείου από τη μια τροποποίηση στην άλλη.

Το μοντέλο συμπυκνωτή περιλαμβάνει εξισώσεις υλικής και θερμικής ισορροπίας και εξισώσεις ισορροπίας φάσης ατμών θείου στη συσκευή.

Το σύστημα εξισώσεων για το μαθηματικό μοντέλο ενός πυκνωτή έχει την εξής μορφή.

Η ισορροπία της περιεκτικότητας σε ατμούς θείου προσδιορίζεται από την συνθήκη ισορροπίας:

YI=PI(T)/P στο T< T т.р.

(I+1)/2 (I-1)/2 YI=KI*YI*P στο T>T t.r.

όπου T t.r. - θερμοκρασία σημείου δρόσου θείου. Το περιεχόμενο των αδρανών διεπαφής χρήστη καθορίζεται από τα υπόλοιπα:

Η ποσότητα του θείου στην είσοδο και στην έξοδο διασυνδέεται με ζυγούς:

V SUM(I+1) XI=W SUM(I+1) YI +S,

όπου S είναι η ποσότητα του συμπυκνωμένου θείου.

Ο συνολικός ρυθμός ροής αερίου στην έξοδο καθορίζεται από την κατάσταση

SUM UI + SUM YI=1

Μοντέλο μίξερ (MIXER).

Το μοντέλο προορίζεται για τον προσδιορισμό των συνιστωσών ρυθμών ροής μιας ροής που λαμβάνεται ως αποτέλεσμα της ανάμειξης πολλών ροών. Η σύνθεση των συστατικών της ροής εξόδου προσδιορίζεται από την εξίσωση ισοζυγίου υλικού:

XI - XI" - XI"" - XI""" =0 , όπου

XI - κατανάλωση του I-ου στοιχείου στη ροή εξόδου,

XI"-XI""" - έξοδα της Ι-ης συνιστώσας στις ροές εισόδου.

Η θερμοκρασία της ροής εξόδου προσδιορίζεται με τη μέθοδο "τεμαχισμού" από την προϋπόθεση διατήρησης της θερμικής ισορροπίας:

Η(Τ)-Η1(Τ)-Η2(Τ)-Η3(Τ)=0, όπου

H(T) - ενθαλπία της ροής εξόδου

H1(T) -H3(T) - ενθαλπίες εισροών.

Μοντέλο υπολογισμού πραγματικών (μη ισορροπίας) παραμέτρων (OTTER).

Το μαθηματικό μοντέλο βασίζεται σε σύγκριση πειραματικών δεδομένων και υπολογισμένων τιμών συνθέσεων και άλλων παραμέτρων εγκαταστάσεων για τον προσδιορισμό του βαθμού απόκλισης των πραγματικών δεικτών από αυτούς της θερμοδυναμικής ισορροπίας.

Ο υπολογισμός αποτελείται από την επίλυση ενός συστήματος αλγεβρικών εξισώσεων. Το αποτέλεσμα του υπολογισμού είναι η νέα (μη ισορροπία) σύνθεση, θερμοκρασία και ενθαλπία της ροής.

Παρακάτω είναι τα αποτελέσματα του υπολογισμού του κυκλώματος