eng
Выпуск #2/2023
Д.М.Баматов, И.М.Баматов, Х.Х.Сапаев
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ. КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСТАДИЙНОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА БЕСПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ. КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСТАДИЙНОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА БЕСПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Просмотры: 876
DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151
Целью данной работы является предложение конфигурации элементов модели химического реактора беспрерывного действия, который соответствовал бы критериям идеальности работы химических реакторов. Была предложена методика для моделирования химического реактора. Семишаговая методика проектирования реакторов позволяет по заранее вычисленным параметрам подбирать материалы для реактора, проводить предварительный дизайн реактора с необходимыми массогабаритными характеристиками. Это дало возможность нам предложить конфигурацию элементов для много стадийного химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей. Была предложена конфигурация 6-стадийного реактора, в котором каждая стадия представляет собой изолированный объем перемешивания. Перемешивание достигается за счет колебательного элемента в виде основания реактора. Объемы перемешивания составлены таким образом, что каждый объем равняется 1 л. Все 6 объемов связаны между собой последовательно, что достигается за счет правильного дизайна крышек объема перемешивания. Также еще предусмотренным элементом конфигурации реактора является система мониторинга за температурным режимом внутри объема перемешивания реактора. Такая конструкция позволит получить многофункциональный химический реактор для беспрерывного смешивания жидкостей с производительностью до 6 л за один цикл работы.
Целью данной работы является предложение конфигурации элементов модели химического реактора беспрерывного действия, который соответствовал бы критериям идеальности работы химических реакторов. Была предложена методика для моделирования химического реактора. Семишаговая методика проектирования реакторов позволяет по заранее вычисленным параметрам подбирать материалы для реактора, проводить предварительный дизайн реактора с необходимыми массогабаритными характеристиками. Это дало возможность нам предложить конфигурацию элементов для много стадийного химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей. Была предложена конфигурация 6-стадийного реактора, в котором каждая стадия представляет собой изолированный объем перемешивания. Перемешивание достигается за счет колебательного элемента в виде основания реактора. Объемы перемешивания составлены таким образом, что каждый объем равняется 1 л. Все 6 объемов связаны между собой последовательно, что достигается за счет правильного дизайна крышек объема перемешивания. Также еще предусмотренным элементом конфигурации реактора является система мониторинга за температурным режимом внутри объема перемешивания реактора. Такая конструкция позволит получить многофункциональный химический реактор для беспрерывного смешивания жидкостей с производительностью до 6 л за один цикл работы.
Теги: carbon fiber chemical reactor continuous mixing element configuration reactor base reactor design thermosensor беспрерывное смешивание конфигурация элементов моделирование реактора основание реактора термосенсоры углеродное волокно химический реактор
Получено: 20.03.2023 г. | Принято: 27.03.2023 г. | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151
Научная статья
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ. КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСТАДИЙНОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА БЕСПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Д.М.Баматов1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3584-0002
И.М.Баматов2, к.б.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9098-5012
Х.Х.Сапаев3, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0001-6116-1754
Аннотация. Целью данной работы является предложение конфигурации элементов модели химического реактора беспрерывного действия, который соответствовал бы критериям идеальности работы химических реакторов. Была предложена методика для моделирования химического реактора. Семишаговая методика проектирования реакторов позволяет по заранее вычисленным параметрам подбирать материалы для реактора, проводить предварительный дизайн реактора с необходимыми массогабаритными характеристиками. Это дало возможность нам предложить конфигурацию элементов для много стадийного химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей. Была предложена конфигурация 6-стадийного реактора, в котором каждая стадия представляет собой изолированный объем перемешивания. Перемешивание достигается за счет колебательного элемента в виде основания реактора. Объемы перемешивания составлены таким образом, что каждый объем равняется 1 л. Все 6 объемов связаны между собой последовательно, что достигается за счет правильного дизайна крышек объема перемешивания. Также еще предусмотренным элементом конфигурации реактора является система мониторинга за температурным режимом внутри объема перемешивания реактора. Такая конструкция позволит получить многофункциональный химический реактор для беспрерывного смешивания жидкостей с производительностью до 6 л за один цикл работы.
Ключевые слова: химический реактор, моделирование реактора, беспрерывное смешивание, конфигурация элементов, основание реактора, углеродное волокно, термосенсоры
Для цитирования: Д.М. Баматов, И.М. Баматов, Х.Х. Сапаев. Моделирование химических реакторов. конфигурация элементов многостадийного химического реактора беспрерывного действия для перемешивания жидкостей. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 144–151. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151.
Received: 20.03.2023 | Accepted: 27.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151
Original paper
CHEMICAL REACTOR DESIGN. THE CONFIGURATION OF PARTS FOR A MULTI-STAGE CHEMICAL REACTOR FOR CONTINUOUS LIQUID MIXING
D.M.Bamatov1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3584-0002
I.M.Bamatov2, зав. УНИЛ, ORCID: 0000-0002-9098-5012
H.H.Sapaev3, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0001-6116-1754
Abstract. The purpose of this work was to propose a configuration of the elements of a model of a continuous chemical reactor that would meet the criteria for the ideality of the operation of chemical reactors. A technique has been proposed for modeling a chemical reactor. The 7-step method for designing reactors makes it possible to select materials for the reactor according to pre-calculated parameters, and makes it possible to carry out a preliminary design of the reactor with the necessary weight and size characteristics. This allowed us to propose the configuration of elements for a multi-stage chemical reactor for continuous mixing of liquids. A six stage reactor configuration has been proposed. In which each stage is an isolated mixing volume. Mixing is achieved by means of an oscillatory element in the form of the base of the reactor. Mixing volumes are designed in such a way that each volume equals 1 liter. All six volumes are interconnected in series, which is achieved due to the correct design of the covers of the mixing volume. One more configuration element of the reactor proposed is a system for monitoring the temperature regime inside the reactor mixing volume. A design like this will allow the construction of a multifunctional chemical reactor for continuous liquid mixing with an output capacity of 6 liters per a working cycle.
Keywords: chemical reactor, reactor design, continuous mixing, element configuration, reactor base, carbon fiber, thermosensor
For citation: D.M. Bamatov, I.M. Bamatov, H.H. Sapaev. Chemical reactor design. The configuration of parts for a multi-stage chemical reactor for continuous liquid mixing. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 144–151. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151.
ВВЕДЕНИЕ
Россия в 2022 году оказалась в беспрецендентных санкционных условиях. Особенно остро встал вопрос об отечественных промышленных и химических технологиях. Разработка новых методов создания химических технологий, а также производство аппаратов для химических технологий являются наиболее важными задачами научно-промышленного комплекса. Одними из самых востребованных аппаратов на практически всех промышленных предприятиях являются химические реакторы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
Стратегия создания химических реакторов позволит индивидуально, в зависимости от необходимой функциональности, разработать и проектировать химические реакторы на разных уровнях комплексности и конфигурации.
Химический реактор – это конструкция, которая изолирует взаимодействующие химические реактивы от внешней среды и позволяет добавлять или поглощать вырабатываемую внутри реактора энергию. Технологию создания реакторов разработали для исследований инженерии химических реакций (ИХР) [1].
Для описания и оценки работы химического реактора используют два типа идеальных реакторов: реактор идеального вытеснения (РИВ), а также идеальный реактор беспрерывного действия с мешалкой (ИРБДМ) [2, 3].
В основном поток в трубчатых реакторах направлен в одно измерение, допустим, в направлении z. Тогда основные градиенты (скорость потока, давление, конвекция) тоже будут направлены в эту сторону. Если конвективный перенос полностью доминирует над диффузионным, то диффузионную транспортировку можно игнорировать. Составление уравнений, получившихся в результате такого предположения, и их решение привело к созданию модели РИВ. В случае если однородности концентрации и температуры, вследствие наличия больших коэффициентов дисперсии (то есть средними квадратами отклонений), можно полностью пренебречь градиентами во всех направлениях и интегрировать все уравнения глобально по всем направлениям (предполагая конвективные потоки у границ), то получается модель ИРБДМ.
Идеализированные модели реакторов дают хорошее представление происходящего внутри реактора при условии, что в реакторе нет непредусмотренных реактивов. Это позволяет оценивать эффективность работы того или иного реактора на основе определенных критериев. Такими критериями могут быть, например, сравнение производительности и сложности управления. Конечно, использование идеализированных реакторов не практично, так как стоят такие технологии дорого, и поэтому в промышленности сейчас в основном используют или упрощенные химические реакторы, или усредненные модифицированные копии идеальных реакторов:
, (1)
где Fs = ρsVsA/MWs (мол/с). Эта связь называется моделью реактора идеального вытеснения [4]. В этой формуле MWs молекулярная масса потока у внешних границ трубки; ρs – плотность смеси внутри реактора; A – площадь поперечного сечения; Vs – средняя скорость потока смеси; Fs – сила, действующая на частицы смеси для создания потока; rs – скорость реакции.
Уравнение (2) называется моделью идеального реактора беспрерывного действия с мешалкой (ИРБДМ):
Fs | out – Fs | in = RsV, (2)
где Fs | out – это сила перемешивания, действующая на частицы смеси при выходе из реактора; Fs | in – сила перемешивания, действующая на частицы смеси при входе в реактор; Rs – это энергия, затраченная на перемешивание; V – объем реактора [5].
Проектирование химического реактора обычно производят на основе конкретной задачи – для работы с определенными реактивами и для достижения определенной конечной цели. Согласно Тавлеру и Синнолту, моделирование реактора должно происходить в зависимости от химических процессов, которые будут протекать внутри реактора. Это имеет большое влияние на конечную себестоимость и сложность управления частями реактора [6].
Мы предлагаем провести методику проектирования химических реакторов, состоящую из семи шагов:
первый шаг – сбор данных относительно химических процессов, для которых будет производиться данный реактор, таких как энтальпия реакций, константы фазового равновесия, коэффициенты переноса массы и тепла, а также постоянные скорости реакций;
второй шаг – выбор начальных условий реакций при работе реактора. Рассматриваются такие условия, как тип реакций, использование катализаторов, температурный диапазон работы реактора, давление внутри реактора и растворители;
третий шаг – подбор материалов конструкции химического реактора в зависимости от приведенных выше начальных условий работы реактора;
четвертый шаг – определение критической скорости реакций и параметров критических размеров реактора;
пятый шаг – предварительное определение габаритов, размещения узлов и стоимости реактора;
шестой шаг – экспериментальная проверка работы реактора;
седьмой шаг – оптимизация и доработка реактора на основе полученных данных на протяжении всех предыдущих шести шагов.
Также одним из важных аспектов моделирования является безопасность реактора. Одна из основных проблем безопасности – возможность температурной цепной реакции в реакторе. Например, если система охлаждения не справляется с возрастающей температурой экзотермических реакций, а рост температуры увеличивает скорость протекания реакции, то создается замкнутый круг – отрицательная обратная связь. Это может привести к неконтролируемому, лавинообразному росту температуры в реакторе, что может быть опасно и привести к летальным последствиям [7, 8].
Самой частой причиной подобных цепных реакций является неправильное соотношение вводимых реактивов, плохой контроль температурного режима или системы нагрева и охлаждения.
Следуя методике проектирования реакторов, была проработана конфигурация составляющих для интегрированной модели РИВ и ИРБДМ для беспрерывного смешивания жидкостей. Модель должна представлять собой проточный шести-стадийный реактор, где основным элементом смешивания выступает основание реактора вместо мешалки. Это должно позволить сохранить высокую степень вытеснения, сохраняя при этом высокую степень перемешивания в реакторе [9, 10].
Система управления образца многостадийного реактора для беспрерывного смешивания жидкостей должна обеспечить непрерывную работу по смешиванию жидких химических реактивов сразу в шести цилиндрических объемах реактора, одновременно позволяя бесперебойно вводить дополнительные реактивы во время перемешивания в процессе работы, а также позволять нагревать одни трубки реактора и охлаждать другие. Первые четыре трубки должны быть снабжены трубчатой системой нагрева, а последние две – системой охлаждения. Каждый объем перемешивания соединен с последующим с помощью гибкой трубки из углеводородного волокна.
Должна быть обеспечена бесперебойность процесса перемешивания реактивов, другими словами, даже когда добавляется новый реактив в жидкую смесь в реакторе, процесс перемешивания при необходимости должен быть продолжен. Для этого в конфигурации реактора продумана крановая система залива реактивов в трубку реактора. На конце каждой трубки устанавливаются два краника: один – для соединения с другими трубками, второй – для залива реактивов. Получается шахматный порядок соединения трубок, когда трубка соединяется с одной стороны с предыдущей трубкой, а с другой стороны – с последующей трубкой вместе с краном для залива реактивов.
Термосенсорная система продумана следующим образом. У входа в трубку, рядом с соединительным углеводородным шлангом с предыдущей трубкой реактора, было предусмотрено пространство для размещения термосенсоров в трубке. Сенсоры на выбранный промежуток времени, установленный оператором, посылают информацию на ресивер обработки информации. Ресивер хранит ее определенный промежуток времени, которое по умолчанию настроено на один час и может изменяться оператором. Схема расположения термосенсоров в трубке реактора приведена на рис.3.
В ходе разработки конфигурации реактора должна решаться проблема его очищения от остаточной жидкости после окончания работы. Для решения этой проблемы были предусмотрены вкручиваемые и выкручиваемые крышки на трубках реактора. На рис.4 показаны эти крышки, а также необходимая резьба на трубках реактора, обеспечивающая герметичность соединения крышек и трубок.
Таким образом, предлагаемая конфигурация элементов многостадийного химического реактора выглядит следующим образом (рис.5). На нем показано последовательное соединение всех стадий работы реактора. На каждом объеме перемешивания должен находиться термодатчик, который будет следить за температурным режимом внутри трубки реактора. Длина объема перемешивания равна 280 мм, а его диаметр 70 мм. Сделано это для того, чтобы фактический объем цилиндра был равен 1 л. Также предусмотрена резьба для плотного прилегания крышек объемов перемешивания длиной 10 мм. Толщина стенок цилиндра равняется 3 мм для того, чтобы можно было сделать резьбу для крышек. Процесс перемешивания в основном будет достигаться за счет движущегося основания реактора. Основание должно колебаться направо и налево от пользователя реактора с контролируемой частотой.
На рис.5а – это вход термосенсора в трубку платформы для мониторинга температурного режима, b – корпус основания реактора, c – колебательная платформа реактора, d – медная магистраль системы нагрева/охлаждения, e – хомут крепления объемов перемешивания к основанию реактора, f – шина контроля колебаний основания реактора, g – кнопка включения и выключения реактора, h – трубки реактора с разработанным дизайном крышек реактора, i – углеволоконный шланг для соединения трубок реактора между собой, создающий шесть стадий смешивания в реакторе.
ВЫВОДЫ
Подводя итог вышесказанному, отметим, что разработка химического реактора начинается задолго до проектирования конфигурации составляющих химического реактора. Химический реактор разрабатывается под определенную задачу, на основе которой производится проектирование реактора. Это задает начальные, промежуточные и конечные условия работы реактора, на основе которых выбираются материалы реактора, рассчитываются критические значения таких параметров, как давление, энтальпия и т. д., и на основе этих данных производится проектирование реактора, который в дальнейшем тестируют и оптимизируют. Если реактор обладает необходимым функционалом для выполнения требуемой задачи, реактор можно использовать, если же реактор этого не делает, этот процесс совершенствования реактора повторяется. На основе данной методики была проработана конфигурация составляющих химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей, а именно:
внешний источник перемешивания (основание реактора), который не будет мешать процессу вытеснения;
система нагрева и охлаждения, которая позволяет проводить экзо- и эндотермические реакции;
стадийность реактора и методика ее достижения;
температурный контроль внутри реактора;
процесс чистки реактора.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы статьи выражают благодарность старшему научному сотруднику НИЦКП "Нанотехнологии и Наноматериалы" Баматову Джабраилу Мусаевичу за помощь и поддержку в работе. Работа поддержана грантом РНФ № 22-16-00092.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Баматов Д.М., Баматов И.М. Разработка проточного реактора V-star для беспрерывных реакций // "IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. 537(3). P. 032020.
Ваттс П., Вайлс С. Микрореакторы, проточные реакторы и беспрерывный синтез потока // Журнал химических исследований. 2012 PP. 181–193. https://doi.org/10.3184/174751912X13311365798808
Фромент Г.Ф., Хофман Х.П.К. Дизайн каталитических неподвижных реакторов газ-твердое вещество // In: Carberry JJ, Varma A (eds) Chemical reaction and reaction engineering. Marcel Dekker Inc, New York and Basel. PP. 373–440.
Берд Р. Уравнения изменений и баланса макроскопической массы, импульса и энергии // Chem Eng Sci, 1957. Vol. 6. PP. 123–181.
Ли С. Реактор беспрерывного действия с мешалкой // Reaction Engineering. PP. 95–160.
Товлер Г., Синнолт Р. Моделирование химической инженерии: принципы, практика и экономика сборки и процесс моделирования // 2nd edition, Boston: Elsevier, 2013.
Межидов В.Х., Дадашев Р.Х., Гацаев З.Ш., Галанина Н.А. Физико-химические процессы при синерезисе гидрогеля бентонита // Вестник ГГНТУ. Технические науки. 2022. Т. 18, № 3(29). C. 82–89.
Минцаев М.Ш., Алисултанов Э.Д., Усамов И.Р. Технологии машинного обучения в современной среде // Вестник ГГНТУ. Гуманитарные и социально-экономические науки. 2022. Т. 18, № 3(29). С. 71–78.
Керимов И.М., Курашева О.А. Тяжелые металлы в ледниках и речных водах бассейна реки Черек Безенгийский при интенсивной деградации оледенения // Грозненский естественнонаучный бюллетень. 2022. Т. 7, № 3 (29). С. 32–37.
Баматов И.М., Баматов Д.М., Арсанов М.М. Использование удобрений медленного высвобождения вместо био-органических натуральных удобрений на подвое плодовой косточки // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 677(4). P. 042027.
Научная статья
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ. КОНФИГУРАЦИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МНОГОСТАДИЙНОГО ХИМИЧЕСКОГО РЕАКТОРА БЕСПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ПЕРЕМЕШИВАНИЯ ЖИДКОСТЕЙ
Д.М.Баматов1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3584-0002
И.М.Баматов2, к.б.н., науч. сотр., ORCID: 0000-0002-9098-5012
Х.Х.Сапаев3, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0001-6116-1754
Аннотация. Целью данной работы является предложение конфигурации элементов модели химического реактора беспрерывного действия, который соответствовал бы критериям идеальности работы химических реакторов. Была предложена методика для моделирования химического реактора. Семишаговая методика проектирования реакторов позволяет по заранее вычисленным параметрам подбирать материалы для реактора, проводить предварительный дизайн реактора с необходимыми массогабаритными характеристиками. Это дало возможность нам предложить конфигурацию элементов для много стадийного химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей. Была предложена конфигурация 6-стадийного реактора, в котором каждая стадия представляет собой изолированный объем перемешивания. Перемешивание достигается за счет колебательного элемента в виде основания реактора. Объемы перемешивания составлены таким образом, что каждый объем равняется 1 л. Все 6 объемов связаны между собой последовательно, что достигается за счет правильного дизайна крышек объема перемешивания. Также еще предусмотренным элементом конфигурации реактора является система мониторинга за температурным режимом внутри объема перемешивания реактора. Такая конструкция позволит получить многофункциональный химический реактор для беспрерывного смешивания жидкостей с производительностью до 6 л за один цикл работы.
Ключевые слова: химический реактор, моделирование реактора, беспрерывное смешивание, конфигурация элементов, основание реактора, углеродное волокно, термосенсоры
Для цитирования: Д.М. Баматов, И.М. Баматов, Х.Х. Сапаев. Моделирование химических реакторов. конфигурация элементов многостадийного химического реактора беспрерывного действия для перемешивания жидкостей. НАНОИНДУСТРИЯ. 2023. Т. 16, № 2. С. 144–151. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151.
Received: 20.03.2023 | Accepted: 27.03.2023 | DOI: https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151
Original paper
CHEMICAL REACTOR DESIGN. THE CONFIGURATION OF PARTS FOR A MULTI-STAGE CHEMICAL REACTOR FOR CONTINUOUS LIQUID MIXING
D.M.Bamatov1, ст. науч. сотр., ORCID: 0000-0003-3584-0002
I.M.Bamatov2, зав. УНИЛ, ORCID: 0000-0002-9098-5012
H.H.Sapaev3, д.т.н., проф., ORCID: 0000-0001-6116-1754
Abstract. The purpose of this work was to propose a configuration of the elements of a model of a continuous chemical reactor that would meet the criteria for the ideality of the operation of chemical reactors. A technique has been proposed for modeling a chemical reactor. The 7-step method for designing reactors makes it possible to select materials for the reactor according to pre-calculated parameters, and makes it possible to carry out a preliminary design of the reactor with the necessary weight and size characteristics. This allowed us to propose the configuration of elements for a multi-stage chemical reactor for continuous mixing of liquids. A six stage reactor configuration has been proposed. In which each stage is an isolated mixing volume. Mixing is achieved by means of an oscillatory element in the form of the base of the reactor. Mixing volumes are designed in such a way that each volume equals 1 liter. All six volumes are interconnected in series, which is achieved due to the correct design of the covers of the mixing volume. One more configuration element of the reactor proposed is a system for monitoring the temperature regime inside the reactor mixing volume. A design like this will allow the construction of a multifunctional chemical reactor for continuous liquid mixing with an output capacity of 6 liters per a working cycle.
Keywords: chemical reactor, reactor design, continuous mixing, element configuration, reactor base, carbon fiber, thermosensor
For citation: D.M. Bamatov, I.M. Bamatov, H.H. Sapaev. Chemical reactor design. The configuration of parts for a multi-stage chemical reactor for continuous liquid mixing. NANOINDUSTRY. 2023. V. 16, no. 2. PP. 144–151. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2023.16.2.144.151.
ВВЕДЕНИЕ
Россия в 2022 году оказалась в беспрецендентных санкционных условиях. Особенно остро встал вопрос об отечественных промышленных и химических технологиях. Разработка новых методов создания химических технологий, а также производство аппаратов для химических технологий являются наиболее важными задачами научно-промышленного комплекса. Одними из самых востребованных аппаратов на практически всех промышленных предприятиях являются химические реакторы.
МОДЕЛИРОВАНИЕ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ
Стратегия создания химических реакторов позволит индивидуально, в зависимости от необходимой функциональности, разработать и проектировать химические реакторы на разных уровнях комплексности и конфигурации.
Химический реактор – это конструкция, которая изолирует взаимодействующие химические реактивы от внешней среды и позволяет добавлять или поглощать вырабатываемую внутри реактора энергию. Технологию создания реакторов разработали для исследований инженерии химических реакций (ИХР) [1].
Для описания и оценки работы химического реактора используют два типа идеальных реакторов: реактор идеального вытеснения (РИВ), а также идеальный реактор беспрерывного действия с мешалкой (ИРБДМ) [2, 3].
В основном поток в трубчатых реакторах направлен в одно измерение, допустим, в направлении z. Тогда основные градиенты (скорость потока, давление, конвекция) тоже будут направлены в эту сторону. Если конвективный перенос полностью доминирует над диффузионным, то диффузионную транспортировку можно игнорировать. Составление уравнений, получившихся в результате такого предположения, и их решение привело к созданию модели РИВ. В случае если однородности концентрации и температуры, вследствие наличия больших коэффициентов дисперсии (то есть средними квадратами отклонений), можно полностью пренебречь градиентами во всех направлениях и интегрировать все уравнения глобально по всем направлениям (предполагая конвективные потоки у границ), то получается модель ИРБДМ.
Идеализированные модели реакторов дают хорошее представление происходящего внутри реактора при условии, что в реакторе нет непредусмотренных реактивов. Это позволяет оценивать эффективность работы того или иного реактора на основе определенных критериев. Такими критериями могут быть, например, сравнение производительности и сложности управления. Конечно, использование идеализированных реакторов не практично, так как стоят такие технологии дорого, и поэтому в промышленности сейчас в основном используют или упрощенные химические реакторы, или усредненные модифицированные копии идеальных реакторов:
, (1)
где Fs = ρsVsA/MWs (мол/с). Эта связь называется моделью реактора идеального вытеснения [4]. В этой формуле MWs молекулярная масса потока у внешних границ трубки; ρs – плотность смеси внутри реактора; A – площадь поперечного сечения; Vs – средняя скорость потока смеси; Fs – сила, действующая на частицы смеси для создания потока; rs – скорость реакции.
Уравнение (2) называется моделью идеального реактора беспрерывного действия с мешалкой (ИРБДМ):
Fs | out – Fs | in = RsV, (2)
где Fs | out – это сила перемешивания, действующая на частицы смеси при выходе из реактора; Fs | in – сила перемешивания, действующая на частицы смеси при входе в реактор; Rs – это энергия, затраченная на перемешивание; V – объем реактора [5].
Проектирование химического реактора обычно производят на основе конкретной задачи – для работы с определенными реактивами и для достижения определенной конечной цели. Согласно Тавлеру и Синнолту, моделирование реактора должно происходить в зависимости от химических процессов, которые будут протекать внутри реактора. Это имеет большое влияние на конечную себестоимость и сложность управления частями реактора [6].
Мы предлагаем провести методику проектирования химических реакторов, состоящую из семи шагов:
первый шаг – сбор данных относительно химических процессов, для которых будет производиться данный реактор, таких как энтальпия реакций, константы фазового равновесия, коэффициенты переноса массы и тепла, а также постоянные скорости реакций;
второй шаг – выбор начальных условий реакций при работе реактора. Рассматриваются такие условия, как тип реакций, использование катализаторов, температурный диапазон работы реактора, давление внутри реактора и растворители;
третий шаг – подбор материалов конструкции химического реактора в зависимости от приведенных выше начальных условий работы реактора;
четвертый шаг – определение критической скорости реакций и параметров критических размеров реактора;
пятый шаг – предварительное определение габаритов, размещения узлов и стоимости реактора;
шестой шаг – экспериментальная проверка работы реактора;
седьмой шаг – оптимизация и доработка реактора на основе полученных данных на протяжении всех предыдущих шести шагов.
Также одним из важных аспектов моделирования является безопасность реактора. Одна из основных проблем безопасности – возможность температурной цепной реакции в реакторе. Например, если система охлаждения не справляется с возрастающей температурой экзотермических реакций, а рост температуры увеличивает скорость протекания реакции, то создается замкнутый круг – отрицательная обратная связь. Это может привести к неконтролируемому, лавинообразному росту температуры в реакторе, что может быть опасно и привести к летальным последствиям [7, 8].
Самой частой причиной подобных цепных реакций является неправильное соотношение вводимых реактивов, плохой контроль температурного режима или системы нагрева и охлаждения.
Следуя методике проектирования реакторов, была проработана конфигурация составляющих для интегрированной модели РИВ и ИРБДМ для беспрерывного смешивания жидкостей. Модель должна представлять собой проточный шести-стадийный реактор, где основным элементом смешивания выступает основание реактора вместо мешалки. Это должно позволить сохранить высокую степень вытеснения, сохраняя при этом высокую степень перемешивания в реакторе [9, 10].
Система управления образца многостадийного реактора для беспрерывного смешивания жидкостей должна обеспечить непрерывную работу по смешиванию жидких химических реактивов сразу в шести цилиндрических объемах реактора, одновременно позволяя бесперебойно вводить дополнительные реактивы во время перемешивания в процессе работы, а также позволять нагревать одни трубки реактора и охлаждать другие. Первые четыре трубки должны быть снабжены трубчатой системой нагрева, а последние две – системой охлаждения. Каждый объем перемешивания соединен с последующим с помощью гибкой трубки из углеводородного волокна.
Должна быть обеспечена бесперебойность процесса перемешивания реактивов, другими словами, даже когда добавляется новый реактив в жидкую смесь в реакторе, процесс перемешивания при необходимости должен быть продолжен. Для этого в конфигурации реактора продумана крановая система залива реактивов в трубку реактора. На конце каждой трубки устанавливаются два краника: один – для соединения с другими трубками, второй – для залива реактивов. Получается шахматный порядок соединения трубок, когда трубка соединяется с одной стороны с предыдущей трубкой, а с другой стороны – с последующей трубкой вместе с краном для залива реактивов.
Термосенсорная система продумана следующим образом. У входа в трубку, рядом с соединительным углеводородным шлангом с предыдущей трубкой реактора, было предусмотрено пространство для размещения термосенсоров в трубке. Сенсоры на выбранный промежуток времени, установленный оператором, посылают информацию на ресивер обработки информации. Ресивер хранит ее определенный промежуток времени, которое по умолчанию настроено на один час и может изменяться оператором. Схема расположения термосенсоров в трубке реактора приведена на рис.3.
В ходе разработки конфигурации реактора должна решаться проблема его очищения от остаточной жидкости после окончания работы. Для решения этой проблемы были предусмотрены вкручиваемые и выкручиваемые крышки на трубках реактора. На рис.4 показаны эти крышки, а также необходимая резьба на трубках реактора, обеспечивающая герметичность соединения крышек и трубок.
Таким образом, предлагаемая конфигурация элементов многостадийного химического реактора выглядит следующим образом (рис.5). На нем показано последовательное соединение всех стадий работы реактора. На каждом объеме перемешивания должен находиться термодатчик, который будет следить за температурным режимом внутри трубки реактора. Длина объема перемешивания равна 280 мм, а его диаметр 70 мм. Сделано это для того, чтобы фактический объем цилиндра был равен 1 л. Также предусмотрена резьба для плотного прилегания крышек объемов перемешивания длиной 10 мм. Толщина стенок цилиндра равняется 3 мм для того, чтобы можно было сделать резьбу для крышек. Процесс перемешивания в основном будет достигаться за счет движущегося основания реактора. Основание должно колебаться направо и налево от пользователя реактора с контролируемой частотой.
На рис.5а – это вход термосенсора в трубку платформы для мониторинга температурного режима, b – корпус основания реактора, c – колебательная платформа реактора, d – медная магистраль системы нагрева/охлаждения, e – хомут крепления объемов перемешивания к основанию реактора, f – шина контроля колебаний основания реактора, g – кнопка включения и выключения реактора, h – трубки реактора с разработанным дизайном крышек реактора, i – углеволоконный шланг для соединения трубок реактора между собой, создающий шесть стадий смешивания в реакторе.
ВЫВОДЫ
Подводя итог вышесказанному, отметим, что разработка химического реактора начинается задолго до проектирования конфигурации составляющих химического реактора. Химический реактор разрабатывается под определенную задачу, на основе которой производится проектирование реактора. Это задает начальные, промежуточные и конечные условия работы реактора, на основе которых выбираются материалы реактора, рассчитываются критические значения таких параметров, как давление, энтальпия и т. д., и на основе этих данных производится проектирование реактора, который в дальнейшем тестируют и оптимизируют. Если реактор обладает необходимым функционалом для выполнения требуемой задачи, реактор можно использовать, если же реактор этого не делает, этот процесс совершенствования реактора повторяется. На основе данной методики была проработана конфигурация составляющих химического реактора для беспрерывного смешивания жидкостей, а именно:
внешний источник перемешивания (основание реактора), который не будет мешать процессу вытеснения;
система нагрева и охлаждения, которая позволяет проводить экзо- и эндотермические реакции;
стадийность реактора и методика ее достижения;
температурный контроль внутри реактора;
процесс чистки реактора.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторы статьи выражают благодарность старшему научному сотруднику НИЦКП "Нанотехнологии и Наноматериалы" Баматову Джабраилу Мусаевичу за помощь и поддержку в работе. Работа поддержана грантом РНФ № 22-16-00092.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Баматов Д.М., Баматов И.М. Разработка проточного реактора V-star для беспрерывных реакций // "IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2019. 537(3). P. 032020.
Ваттс П., Вайлс С. Микрореакторы, проточные реакторы и беспрерывный синтез потока // Журнал химических исследований. 2012 PP. 181–193. https://doi.org/10.3184/174751912X13311365798808
Фромент Г.Ф., Хофман Х.П.К. Дизайн каталитических неподвижных реакторов газ-твердое вещество // In: Carberry JJ, Varma A (eds) Chemical reaction and reaction engineering. Marcel Dekker Inc, New York and Basel. PP. 373–440.
Берд Р. Уравнения изменений и баланса макроскопической массы, импульса и энергии // Chem Eng Sci, 1957. Vol. 6. PP. 123–181.
Ли С. Реактор беспрерывного действия с мешалкой // Reaction Engineering. PP. 95–160.
Товлер Г., Синнолт Р. Моделирование химической инженерии: принципы, практика и экономика сборки и процесс моделирования // 2nd edition, Boston: Elsevier, 2013.
Межидов В.Х., Дадашев Р.Х., Гацаев З.Ш., Галанина Н.А. Физико-химические процессы при синерезисе гидрогеля бентонита // Вестник ГГНТУ. Технические науки. 2022. Т. 18, № 3(29). C. 82–89.
Минцаев М.Ш., Алисултанов Э.Д., Усамов И.Р. Технологии машинного обучения в современной среде // Вестник ГГНТУ. Гуманитарные и социально-экономические науки. 2022. Т. 18, № 3(29). С. 71–78.
Керимов И.М., Курашева О.А. Тяжелые металлы в ледниках и речных водах бассейна реки Черек Безенгийский при интенсивной деградации оледенения // Грозненский естественнонаучный бюллетень. 2022. Т. 7, № 3 (29). С. 32–37.
Баматов И.М., Баматов Д.М., Арсанов М.М. Использование удобрений медленного высвобождения вместо био-органических натуральных удобрений на подвое плодовой косточки // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 677(4). P. 042027.
Отзывы читателей
