Μηχανική Βιομηχανικών Αντιδραστήρων Υπολογιστικό θέμα

Transcript

1 EΘNIKO ΜEΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΣΧΟΛΗ ΧΗΜΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΙΙ: Ανάλυσης, Σχεδιασμού & Ανάπτυξης Διεργασιών & Συστημάτων Μηχανική Βιομηχανικών Αντιδραστήρων Υπολογιστικό θέμα Μάθημα κατεύθυνσης 8 ου εξαμήνου Διδάσκοντες: Ν. Παπαγιαννάκος, Κ. Φιλιππόπουλος Υποστήριξη ΥΘ: Θ. Ξενίδου (Ε.ΔΙ.Π.)

2 Κίνητρο στόχος 1. Η δραστική μείωση των οργανικών θειούχων ενώσεων που περιέχονται στο αργό πετρέλαιο - περιβαλλοντικοί & τεχνικοί λόγοι. Η απομάκρυνση του θείου επιτυγχάνεται με καταλυτική επεξεργασία του πετρελαϊκού κλάσματος, σε υψηλή θερμοκρασία και πίεση, παρουσία υδρογόνου Σχηματική αναπαράσταση αντιδραστήρα

3 Χημικές αντιδράσεις ολική κινητική 1. Αντιδράσεις υδρογονοαποθείωσης r HDS 1 E1 RT k e P C n S 1 K1 PS K PH H. Αντιδράσεις υδρογόνωσης ακόρεστων δεσμών, υδρογονοδιάσπασης μεγάλων αλυσίδων, κ.α. - εξώθερμες αντιδράσεις r HCON E RT * k e ( CHT HCON) ph 1 K P 3 HS

4 Σύμβολα P H C s n P HS T μερική πίεση του υδρογόνου (bar). συγκέντρωση θείου στην υγρή φάση (ppm). τάξη αντίδρασης. μερική πίεση του υδροθείου (bar). θερμοκρασία (Κ). CHT μέγιστη ειδική κατανάλωση υδρογόνου ( Nl / kgoil ). HCON ειδική κατανάλωση υδρογόνου( Nl / kgoil ) μετά από κάποιο χρόνο αντίδρασης. Σημείωση: τα ppm αναφέρονται σε μάζα/μάζα.

5 Χαρακτηριστικά αντιδραστήρα Αδιαβατικός αντιδραστήρας Σταθερές καταλυτικές κλίνες - αποτροπή υπερθέρμασης - τροφοδοσίας υδρογόνου - λόγο μαζών V 1 /V /V 3 = 1.5/.5/ Ψύξη για την αποφυγή υπερθέρμανσης - γήρανση καταλύτη - απόθεση κωκ, Σχηματική αναπαράσταση αντιδραστήρα

6 Δεδομένα λειτουργίας & γεωμετρικά χαρακτηριστικά αντιδραστήρα Διάμετρος των κλινών D i =4m Συνολική μάζα καταλύτη M cat = kg Πυκνότητα καταλυτικής κλίνης ρ κλίνης = 0,9 kg/lt Θερμοκρασία εισόδου του πετρελαίου και του T μίγματος υδρογόνου 1 = 335 o C Μαζική παροχή πετρελαίου M oil = kg/h Αρχική περιεκτικότητα πετρελαίου σε θείο S in =1.93 % w/w Ογκομετρική παροχή μίγματος υδρογόνου Q 1 =55 knm 3 /h Ογκομετρική παροχή αερίου μίγματος ψύξης Q =0 knm 3 /h Q 3 =7 knm 3 /h Πίεση εισόδου του αερίου μίγματος ψύξης P=75 bar Θερμοκρασία εισόδου του αερίου μίγματος T =69 o C ψύξης Σύσταση μίγματος υδρογόνου (% v/v) 80.9% 0.65% S 0.00% NH 3 6.7% CH % C H % C 3 H % i-c 4 H % n-c 4 H % i-c 5 H % n-c 5 H % n-c 6 H 14 Σύσταση μίγματος αερίου ψύξης (% v/v) 79.0% 0.75% S 0.00% NH % CH % C H % C 3 H % i-c 4 H % n-c 4 H % i-c 5 H % n-c 5 H 1

7 Ζητούμενα προσομοίωσης 1. Η συγκέντρωση του θείου στο υγρό στην έξοδο της 1 ης, ης και 3 ης κλίνης.. Η θερμοκρασία εξόδου από κάθε κλίνη του μίγματος αερίου-υγρού. 3. Οι κατανομές κατά μήκος του αντιδραστήρα: - των μερικών πιέσεων του υδρογόνου και του υδροθείου - της θερμοκρασίας - της συγκέντρωσης (ppm) του θείου στην υγρή φάση 4. Η θερμοκρασία εισόδου των τροφοδοσιών για την επίτευξη συγκέντρωσης θείου 50 ppm στο προϊόν και μέγιστη θερμοκρασία λειτουργίας των καταλυτικών κλινών 415 o C

8 Δεδομένα: παράμετροι κινητικών εξισώσεων r HDS 1 RT n k1 e PH C RT * S 1 E K P K P 1 H S H r HCON E k e ( CHT HCON) ph 1 K P 3 HS k *10 6 kg oil h * kg * ppm cat 1 n S * bar K bar S K bar E KJ/mol n 1.9 k 1.71*10 5 ( kg ) h * kg cat oil * bar 1 K bar S E J/mol ΔΗ R.35 kj/nl H CHT 93.0 Nl H /kg oil * Nl

9 Δεδομένα: θερμοχωρητικότητες Αερίων (J/mol/K) Ένωση S NH 3 CH 4 C H 6 C 3 H 8 i-c 4 H 10 n-c 4 H 10 i-c 5 H 1 n-c 5 H 1 n-c 6 H e-*T-1.380e-5*T e e-*T+.43e-5*T e e-*T+1.707e-5*T e e-*T+1.197e-5*T -11.3e e-*T-6.938e-5*T e e-*T-15.86E-5*T +3.15e e-*T-18.46e-5*T +8.95e e-*T-11.08e-5*T -8.e e-*T-7.9e-5*T +57.3e e-*T-5.80e-5*T e e-*T-31.19e-5*T e- Πετρελαίου (kj/kg/k) Cp oil * T

10 Σύμβολα P H C s n P HS T μερική πίεση του υδρογόνου (bar). συγκέντρωση θείου στην υγρή φάση (ppm). τάξη αντίδρασης. μερική πίεση του υδροθείου (bar). θερμοκρασία (Κ). CHT μέγιστη ειδική κατανάλωση υδρογόνου ( Nl / kgoil ). HCON ειδική κατανάλωση υδρογόνου( Nl / kgoil ) μετά από κάποιο χρόνο αντίδρασης. Σημείωση: τα ppm αναφέρονται σε μάζα/μάζα.

11 Παραδοχές προσομοίωσης - Εμβολική ροή - Ψευδοομογενής διφασική ροή (δεν λαμβάνονται υπόψη φαινόμενα εξάτμισης υγρού ή συμπύκνωσης αερίου, αλλά κάθε συστατικό αποδίδεται σε μία και μόνο φάση) - Πλήρης και σταθερή διαβροχή κλίνης - Αντιδράσεις πάνω στα ενεργά κέντρα - Αέρια φάση: μίγμα τελείων αερίων - Πτώση πίεσης δεν λαμβάνεται υπόψη - Αδιαβατική λειτουργία αντιδραστήρα - Αντιδράσεις υδρογονοαποθείωσης και αντιδράσεις κατανάλωσης υδρογόνου - Όλη η εκλυόμενη θερμότητα αποδίδεται στις αντιδράσεις κατανάλωσης υδρογόνου - Όλοι οι υπόλοιποι H/C σταθεροί

12 Περιβάλλον προσομοίωσης: εναλλακτικές δυνατότητες Fortran MatLab / Octave Aριθμητικής επίλυση Μέθοδος Runge-Kutta -

13 Εκπόνηση υπολογιστικού θέματος - Σε ομάδες (το πολύ ατόμων) - Συνεισφορά στο βαθμό μαθήματος : 10% - Παράδοση θέματος - Ημερομηνία Παράδοσης: 4/4/17 - Τελική αναφορά Περιεχόμενα : Περιγραφή λειτουργίας του αντιδραστήρα Περιγραφή μαθηματικού μοντέλου και παραδοχών Κατάστρωση μαθηματικού μοντέλου Αλγόριθμος επίλυσης μοντέλου Απαντήσεις στα ερωτήματα με τα ζητούμενα διαγράμματα Συμπεράσματα/σχόλια για τη λειτουργία του αντιδραστήρα - Ηλεκτρονική Υποβολή αρχείων προσομοίωσης (Fortran, Matlab, ) - Επικοινωνία: Θ. Ξενίδου, Γραφείο: Η1.403, thexen@chemeng.ntua.gr