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.)
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
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
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.
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
Δεδομένα λειτουργίας & γεωμετρικά χαρακτηριστικά αντιδραστήρα Διάμετρος των κλινών D i =4m Συνολική μάζα καταλύτη M cat = 99500 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 =149000 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 4 5.94% C H 6 5.13% C 3 H 8 0.70% i-c 4 H 10 0.53% n-c 4 H 10 0.55% i-c 5 H 1 0.18% n-c 5 H 1 0.055% n-c 6 H 14 Σύσταση μίγματος αερίου ψύξης (% v/v) 79.0% 0.75% S 0.00% NH 3 6.10% CH 4 9.40% C H 6 3.55% C 3 H 8 0.40% i-c 4 H 10 0.30% n-c 4 H 10 0.0% i-c 5 H 1 0.10% n-c 5 H 1
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
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 1 1.75*10 6 kg oil h * kg * ppm cat 1 n S * bar K 1 0.15 1 bar S K 0.005 1 bar E 1 146 KJ/mol n 1.9 k 1.71*10 5 ( kg ) h * kg cat oil * bar 1 K 3 0.5 bar S E 93000 J/mol ΔΗ R.35 kj/nl H CHT 93.0 Nl H /kg oil * Nl
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 14 7.144+0.974e-*T-1.380e-5*T +7.685e- 31.943+0.1437e-*T+.43e-5*T -11.77e- 7.316+.8380e-*T+1.707e-5*T -11.85e- 19.5+5.130e-*T+1.197e-5*T -11.3e- 5.4100+17.810e-*T-6.938e-5*T +8.713e- -4.50+30.630e-*T-15.86E-5*T +3.15e- -1.3900+38.470e-*T-18.46e-5*T +8.95e- 9.4880+33.130e-*T-11.08e-5*T -8.e- -9.550+50.660e-*T-7.9e-5*T +57.3e- -3.660+48.740e-*T-5.80e-5*T +53.05e- -4.4130+58.00e-*T-31.19e-5*T +64.94e- Πετρελαίου (kj/kg/k) Cp oil 0.776 0.003765 * T
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.
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
Περιβάλλον προσομοίωσης: εναλλακτικές δυνατότητες Fortran MatLab / Octave Aριθμητικής επίλυση Μέθοδος Runge-Kutta - http://www.chemeng.ntua.gr/the_course/industrial_reactor_engineering
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, e-mail: thexen@chemeng.ntua.gr