employee
, Russian Federation
employee
, Russian Federation
graduate student
, Russian Federation
The problem of automating the thermal calculation of a reactor for the synthesis of a sulfur-containing sorbent for wastewater treatment from heavy metal compounds using chlorlignin is considered. A formal description of the algorithm and a block diagram of the calculation are given; the interface of the program written in C#, displaying the results of the thermal calculation of heating the working mixture, determining the amount of heat for heating the suspension, the heat transfer coefficient from the working medium to the reactor wall, the mass flow rate of water and its costs, the water velocity in the jacket, and also the choice of the mode in the shirt
automation of calculation, calculation algorithm, synthesis of sorbents, chlorlignin
Серосодержащий сорбент для очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов [1] получают на основе использования отходов производства эпихлоргидрина, хлорированного лигнина и полисульфидов натрия, получаемых из элементной серы и гидроксида натрия в водном растворе в присутствии гидразингидрата [2, 3]. Получение сульфидированного лигнина и серосодержащего сорбента на основе лигнина осуществляется в одном реакционном сосуде при непрерывном перемешивании. Масса достаточно вязкая, поэтому достижение равномерного распределения фаз в суспензии очень затруднительно и возможно только при механическом перемешивании. Для обеспечения необходимой эффективности целесообразно правильно подобрать тип перемешивающего устройства, а также размер, число оборотов и мощность двигателя мешалки [4, 5], для поддержания назначенной интенсивности перемешивания.
В качестве химического реактора выбираем ёмкостной, идеального смешения периодического действия, снабжённый трёхлопастной пропеллерной мешалкой, которая облегчает процесс перемешивания и увеличивает его эффективность [6].
Расчёт химических реакторов для приготовления новых сорбентов основан на:
- математическом моделировании;
- методе С. Д. Дьяконова (сопряженного математического и физического моделирования);
- гидродинамическом моделировании.
Расчёт установки с трёхлопастной пропеллерной мешалкой периодического действия из условия идеального перемешивания среды, включает тепловой расчёт реактора и гидродинамический расчёт.
Ранее авторами уже были реализованы расчёт физических свойств ингредиентов реакционной смеси, определён объём химического реактора [7], гидродинамический расчёт, который необходим для определения осевой и радикальной сил, действующих на мешалку, усреднённых характеристик полей скоростей в объеме реактора, мощности перемешивания и глубины образующейся воронки [8]. На рисунке 1 представлены результаты автоматизации гидродинамического расчёта. Программная форма реализована на языке C#.
Рисунок 1 – Интерфейс программы гидродинамического расчёта
Далее описан алгоритм теплового расчёта реактора. Для корректности его выполнения программой необходимо определить начальные значения, на основание которых будут осуществляться расчеты реактора с пропеллерной мешалкой, выполненного из стали 20. Зададим объём реактора Vн = 1,6 м3, внутренний диаметр реактора D = 1,2 м, выберем стандартное эллиптическое днище с площадью поверхности Fд и объёмом Vд :
м2,
м3.
Объём цилиндрической части реактора:
м3.
Длина цилиндрической части реактора, которая является определяющим размером при конвективной теплоотдаче:
Толщину стенки реактора назначаем s = 6 мм, тогда наружный диаметр реактора (внутренний диаметр пространства тепловой рубашки) D1 = D+2s = 1,212 м.
Согласно ГОСТ Р 52857.8-2007 внутренний диаметр обечайки наружной цилиндрической рубашки 
Примем 
м.
Объём донной части рубашки:
Полный объём рубашки Vруб:
Общая площадь теплообмена со стороны рубашки F1:
Рабочая среда нагревается от T11 = 20 °С до T12 = 45 °С (318 К) горячей водой, которая охлаждается от T21 = 90 °С до T22 = 80 °С. Средняя разность температур 
в процессе нагрева равна:
|
|
(1) |
где ΔT1 – начальная разность температур на входе теплоносителя в рубашку; ΔT2 – конечная разность температур на выходе теплоносителя из рубашки.
Количество теплоты Q, кДж, необходимое для нагрева суспензии и стенки реактора:
|
|
(2) |
где Vср = 1,097 
ρср = 1444,3
и срср = 2166,057 
– объём, плотность и удельная теплоёмкость загружаемой смеси; ρс = 7800 кг/м3 и срс = 469 Дж/(кг К) – плотность и удельная теплоёмкость стали 20.
Время нагрева среды:
|
|
(3) |
при этом коэффициент теплопередачи k:
|
|
(4) |
где αс – коэффициент теплоотдачи от суспензии к стенке реактора; αТ – коэффициент теплоотдачи горячей воды (теплоноситель) к стенке реактора; λм = 79,64 Вт/(м.К) – коэффициент теплопроводности стали 20 при 80 °С.
Смоченный периметр сечения рубашки в цилиндрической части:
Живое сечение рубашки в цилиндрической части:
Эквивалентный диаметр рубашки в цилиндрической части:
м.
Зададим скорость воды в рубашке W = 0,02 м/с. Тогда значение критерия Рейнольдса:
|
|
(5) |
где коэффициент кинематической вязкости воды ν = 0,614.10–6 м2/с при температуре 45 °С,
Так как Re > 2320, то режим движения горячей воды в рубашке переходный. Физические свойства воды для средней температуры 85 °С определяли методом линейной интерполяции. Значение критерия Прандтля равно:
|
|
(6) |
Критерий Нуссельта для переходного режима:
|
|
(7) |
Коэффициент теплоотдачи 
в рубашке от воды к стенке, учитывая, что коэффициент теплопроводности воды при 112 °С λв = 0,677 Вт/(м×К):
|
|
(8) |
При применении быстроходных (ГD > 1,5) пропеллерных мешалок коэффициент теплоотдачи αс от суспензии к стенке реактора вычисляется по формуле:
где N – мощность, израсходованная на перемешивание суспензии, Вт.
Массовый расход воды (кг/с) вычисляется по формуле:
|
|
(9) |
где св – удельная теплоемкость воды Дж/(кг.К) при температуре 85 °С.
Затраты Z горячей воды (кг) с учетом 5% тепловых потерь определяются по формуле:
|
|
(10) |
Скорость воды W в рубашке рассчитывается по формуле:
|
|
(11) |
где V – объёмный расход воды, м3/с, определяемый по формуле (12).
|
|
(12) |
где ρв – плотность воды при средней температуре 85 °С, найденная методом линейной интерполяции и равная 968,7 кг/м3.
На рисунках 2, 3 представлены результаты автоматизированного теплового расчёта химического реактора по описанному алгоритму, а также интерфейс программы, созданной на языке C#.
В результате исследований был описан алгоритм теплового расчёта реактора для приготовления нового сорбента. На основе предложенного алгоритма разработаны блок-схема и компьютерная программа.
Рисунок 2 – Интерфейс программы теплового расчёта химического реактора
Рисунок 3 – Интерфейс программы теплового расчёта химического реактора.
Определение Q, массового расхода воды, времени нагрева среды, режима и др.
1. Pat. № 2558896. Rossiyskaya Federa-ciya. Sposob polucheniya sorbenta dlya ochistki stochnyh vod ot soedineniy tyazhelyh metallov / E.A. Chernysheva, V.A. Grabel'nyh, E.P. Levanova, O.N. Ignatova, I.B. Rozencveyg, N.V. Russavskaya [i dr.]; zayavl. 06.06.2014, opubl. 10.08.2015 g. Byul. № 22.
2. Domracheva, V.A., Vescheva, E.N. Mo-dificirovanie uglerodnyh sorbentov dlya povysheniya effektivnosti izvlecheniya tyazhelyh metallov iz stochnyh vod i tehnogennyh obrazovaniy // Vestnik IrGTU. 2010. № 4 (44). S. 134-138.
3. Aslamova, V.S., Shneygel'berger, E.A., Aslamov, A.A. Tehnologiya i oborudovanie proizvodstva seroderzhaschih sorbentov dlya izvlecheniya tyazhelyh metallov iz stochnyh vod // Sb. statey mezhdun. nauch.-prakt. konf. «Problemy tehniko-tehnologicheskih sistem i fiziko-matematicheskih modeley» (1 marta 2020, g. Samara). Ufa: Aeterna, 2020. S. 18–22.
4. Barabash, V.M., Abiev, R.Sh., Ku-lov, N.N. Obzor rabot po teorii i praktike peremeshivaniya // Teoreticheskie osnovy himicheskoy tehnologii. 2018. T. 52. № 4. S. 367–383.
5. Nemtinov, V.A., Mokrozub, A.V., Erohina, I.N. Avtomatizirovannyy raschet zagotovok dnisch emkostnyh apparatov. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28372757&ysclid=l5p9s61ldw160140536 (accessed: 07.06.2016).
6. Malyavko, O.I., Elagin, M.S., Oreshkin, A.S. Avtomatizaciya mehaniche-skih raschetov valov tehnologicheskogo oborudovaniya. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28372753&y sclid=l5p9laa8mj214796164 (accessed: 7.06.2016).
7. Aslamova, V.S., Golovkova, E.A., Shnegel'berger, E.A. Algoritm avtomatizacii vybora tipa meshalki i rascheta fizicheskih svoystv geterogennoy smesi // Matematicheskie metody v tehnologiyah i tehnike. 2022. №2. S. 31–34.
8. Aslamova, V.S., Aslamov, A.A., Golovkova, E.A., Shnegel'berger, E.A. Avtomatizirovannyy raschet trehlopastnoy propellernoy meshalki dlya proizvodstva serosoderzhaschego sorbenta na osnove hlorlignina, selektivnogo k ionam tyazhelyh metallov // Sovremennye tehnologii. Sistemnyy analiz. Modelirovanie. 2021. № 4(72). S. 48–58.
