сотрудник
Россия
Россия
сотрудник с 01.01.2018 по настоящее время
Ангарск, Иркутская область, Россия
аспирант
Россия
Рассматривается задача автоматизации расчёта реактора для синтеза серосодержащего сорбента, применяемого для очистки сточных вод от соединений тяжёлых металлов при охлаждении реакционной смеси. Определены начальные значения для осуществления автоматизированного расчёта реактора с пропеллерной мешалкой, выбор которой основан на результатах расчётов физических свойств ингредиентов и обзора конструкций перемешивающих устройств. Приводится математический алгоритм расчёта теплообмена при охлаждении реакционной смеси, а также интерфейс компьютерной программы, написанной на языке C#, с результатами автоматизированных расчётов
серосодержащий сорбент, охлаждение смеси, алгоритм теплового расчёта реактора, программное приложение
Введение. Для эффективной очистки сточных вод от соединений тяжелых металлов предложено применять серосодержащий сорбент [1], технология и аппаратурное оформление процесса его получения подробно описаны в [3,4]. Процесс осуществляется в ёмкостном химическом реакторе идеального смешения периодического действия при непрерывном перемешивании ингредиентов, физические свойства которых автоматически рассчитаны в подпрограмме, которая также рекомендовала выбор перемешивающего устройства [5]. Масштаб производственной установки не отражается на соотношении ингредиентов, которые используются для получения серосодержащего сорбента [2], так как масса ингредиентов увеличивается согласно масштабу, а изменяется только время перешивания, нагрева рабочей смеси до 45 °С и последующего ее охлаждения до 20 °С.
Для расчета химического реактора использовались расчетные методы [6], базируемые на инженерном опыте. Известно, что правильно написанный алгоритм и программа автоматизированного теплового расчёта реактора – актуальная задача, решив которую можно снизить трудоемкость и продолжительность вычислений, повысить качество принимаемых проектных решений, и, как следствие, уменьшить производственные затраты.
Алгоритм теплового расчёта реактора при охлаждении реакционной смеси.
Охлаждению подвергается реакционная масса с температуры 45 °С до 20 °С.
При условии постоянства потока теплоносителя (вода 10 °С = 283 К, нагревающаяся до 15 °С = 288 К) и его неизменности термодинамических свойств, средняя разность температур 
определяется по формуле [7]:
где ΔT1 – разность начальных температур рабочей среды (45° С = 318 К) и охлаждающей воды; ΔT2 – разность конечных температур рабочей среды (20° С = 293 К) и охлаждающей воды.
Для режима охлаждения значение , К вычисляется по формуле:
При скорости воды W = 0,02 м/с критерий Рейнольдса в рубашке::
где 
– эквивалентный диаметр рубашки в цилиндрической части, равный 0,088 м.
Режим движения – ламинарный.
Значение критерия Прандтля Pr определяется по формуле:
где 
– удельная теплоёмкость, 
; динамическая вязкость, (
), 
; теплопроводность, 
.
Критерий Нуссельта для ламинарного режима:
Коэффициент теплоотдачи Вт/(м2.К) в рубашке от воды рассчитывается как отношение [12]:
Коэффициент теплопередачи k определяется по формуле [12]:
где αс – коэффициент теплоотдачи от суспензии к стенке реактора; αТ – коэффициент теплоотдачи от стенки реактора к охлаждающей воде; s – толщина стенки реактора (м); λм = 84,08 Вт/(м.К) – коэффициент теплопроводности стали 20.
Время охлаждения реакционной смеси τохл рассчитывается по формуле:
где Q – это тепловая нагрузка в кДж, Fохл – общая площадь теплообмена рубашки.
Массовый расход воды при охлаждении реакционной смеси вычисляется по формуле:
Затраты Z холодной воды с учетом 5% тепловых потерь составят:
Тогда можно определить значение объёмного расхода воды V и скорость воды W в рубашке:
м3/с.
где 
– плотность воды 
; Sж = 0,174 м2 – площадь кольцевого сечения рубашки с диаметрами 1,212 и 1,3 м.
Рисунок 1 – Интерфейс программы расчёта реактора при охлаждении реакционной смеси
Заключение
Описан алгоритм теплового расчёта реактора для производства серосодержащего сорбента при охлаждении реакционной смеси. Создана компьютерная программа, выполняющая автоматизированный расчёт реактора по заданным и вычисленным параметрам, а также расчёт времени полного цикла работы реактора.
1. Патент № 2558896. Российская Федерация. 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. Модифицирование углеродных сорбентов для повышения эффективности извлечения тяжелых металлов из сточных вод и техно-генных образований / В. А. Домрачева, Е. Н. Вещева // Вестник ИрГТУ. - 2010. - № 4 (44). - С. 134-138.
3. Асламова, В. С. Технология и оборудование производства серодержащих сорбентов для извлечения тяжёлых металлов из сточных вод / В. С. Асламова, Е. А. Шнейгельбергер, А. А. Асламов // Сб. статей междун. науч.-практ. конф. «Проблемы технико-технологических си-стем и физико-математических моделей» (1 марта 2020, г. Самара). - Уфа: Аэтер-на. - 2020. - С. 18-22.
4. Асламова, В. С. Автоматизированный расчет трехлопастной пропеллерной мешалки для производства серо-содержащего сорбента на основе хлор-лигнина, селективного к ионам тяжелых металлов / В. С. Асламова, А. А. Асламов, Е. А. Головкова, Е. А. Шнегельбергер // Современные технологии. Систем-ный анализ. Моделирование. - 2021. - № 4(72). - С. 48-58.
5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022618080. Расчет физических свойств гетерогенной рабочей среды (жидкость-твердое) и выбор типа мешал-ки / Асламова В.С., Асламов А.А., Головкова Е.А., Шнегельбергер Е.А. ; патенто-обладатели: ФГБОУ ВО ИрГУПС, ФГБОУ ВО АнГТУ, заявка № 2022617237 от 21.04.2022, зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 27.04.2022.
6. Борисенко, А. Б. Система автоматизированного выбора вспомогательного оборудования многоассортиментных химических производств / А. Б. Борисенко, А. В. Антоненко, А. В. Осовский, О. А. Филимонова // Вестник Тамбовского ГТУ. - 2012. - Т. 18. - № 3. - С. 569-572.
7. Немтинов, В. А. Автоматизированный расчет заготовок днищ емкостных аппаратов / В. А. Немтинов, А. В. Мокрозуб, И. Н. Ерохина // В.И. Вернад-ский: устойчивое развитие регионов. - 2016. - Т. 1. - С. 151-154.
