сотрудник
, Россия
сотрудник
, Россия
аспирант
, Россия
Рассматривается задача автоматизации теплового расчёта реактора для синтеза серосодержащего сорбента для очистки сточных вод от соединений тяжёлых металлов с использованием хлорлигнина. Приводятся формальное описание алгоритма и блок-схема расчёта; интерфейс программы, написанной на языке C#, отображающий результаты теплового расчёта нагрева рабочей смеси, определения количества теплоты для нагрева суспензии, коэффициента теплоотдачи от рабочей среды к стенке реактора, массового расхода воды и её затраты, скорости воды в рубашке, а также выбор режима в рубашке
: автоматизация расчёта, алгоритм расчёта, синтез сорбентов, хлорлигнин
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. Пат. № 2558896. Российская Федера-ция. Способ получения сорбента для очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов / Е.А. Чернышева, В.А. Грабельных, Е.П. Леванова, О.Н. Игнатова, И.Б. Розенцвейг, Н.В. Руссавская [и др.]; заявл. 06.06.2014, опубл. 10.08.2015 г. Бюл. № 22.
2. Домрачева, В.А., Вещева, Е.Н. Мо-дифицирование углеродных сорбентов для повышения эффективности извлечения тяжелых металлов из сточных вод и техногенных образований // Вестник ИрГТУ. 2010. № 4 (44). С. 134-138.
3. Асламова, В.С., Шнейгельбергер, Е.А., Асламов, А.А. Технология и оборудование производства серодержащих сорбентов для извлечения тяжёлых металлов из сточных вод // Сб. статей междун. науч.-практ. конф. «Проблемы технико-технологических систем и физико-математических моделей» (1 марта 2020, г. Самара). Уфа: Аэтерна, 2020. С. 18–22.
4. Барабаш, В.М., Абиев, Р.Ш., Ку-лов, Н.Н. Обзор работ по теории и практике перемешивания // Теоретические основы химической технологии. 2018. Т. 52. № 4. С. 367–383.
5. Немтинов, В.А., Мокрозуб, А.В., Ерохина, И.Н. Автоматизированный расчет заготовок днищ емкостных аппаратов. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28372757&ysclid=l5p9s61ldw160140536 (accessed: 07.06.2016).
6. Малявко, О.И., Елагин, М.С., Орешкин, А.С. Автоматизация механиче-ских расчетов валов технологического оборудования. URL: https://elibrary.ru/item.asp?id=28372753&y sclid=l5p9laa8mj214796164 (accessed: 7.06.2016).
7. Асламова, В.С., Головкова, Е.А., Шнегельбергер, Е.А. Алгоритм автоматизации выбора типа мешалки и расчета физических свойств гетерогенной смеси // Математические методы в технологиях и технике. 2022. №2. С. 31–34.
8. Асламова, В.С., Асламов, А.А., Головкова, Е.А., Шнегельбергер, Е.А. Автоматизированный расчет трехлопастной пропеллерной мешалки для производства серосодержащего сорбента на основе хлорлигнина, селективного к ионам тяжелых металлов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2021. № 4(72). С. 48–58.
