Билецкий Евгений Юрьевич	ДонНТУ
	Факультет экологии и химической технологии	Автореферат
	Специальность: Химическая технология высокомолекулярных соединений	Библиотека
	Тема магистерской работы: Разработка автоматизированной системы управления процессами в аппаратах идеального смешения	Ссылки
	E-mail: houseofpain@inbox.ru	Отчет о поиске

Автореферат

Основание актуальности темы

Тротил является основным компонентом многих промышленных взрывчатых веществ. Главное преимущество тротила состоит в том, что являясь достаточно сильным бризантным взрывчатым веществом, он обладает сравнительно малой чувствительностью к механическим воздействиям. Это значительно упрощает технологию получения промышленных ВВ на его основе.

Тротил в промышленности получают нитрованием толуола серно-азотной кислотной смесью (нитрующей смесью). Большинство действующих в настоящее время установок по производству тротила состоит из звеньев нитратор-сепаратор. Процесс многостадийный с противоточным движением компонентов между звеньями, осуществляемым, как правило, принудительно. Нитраторы представляют собой аппараты объемного типа, снабженные мешалкой (механической или пневматической).

Существующие отечественные схемы нитрования толуола практически не автоматизированы – каждый нитратор в каскаде оборудуется датчиком температуры, при повышении температуры выше определенного уровня реакционная смесь сбрасыватся в аварийную емкость, наполненную большим количеством воды. В начале 80х годов американскими исследователями было проведено моделирование процесса нитрования толуола с целью выяснения возможностей оптимизации условий его проведения. Внедрение результатов моделирования в промышленности позволило сократить расход кислот на величину порядка 20% при неизменной производительности.

Цель и задачи работы

Целью данной работы является математическое моделирование процесса нитрования толуола в каскаде реакторов идеального смешения при различных схемах движения реагентов между каскадами. Будут рассмотрены непрерывный и периодический режимы работы аппаратов с разными температурными режимами (адиабатический реактор, изотермический реактор, реактор с регулированием температуры). На основе полученной математической модели будет выполняться поиск оптимальных условий проведения процесса – температурного режима, соотношений расхода и концентраций реагентов. Для оптимизации модели планируется применить генетический алгоритм как наиболее перспективный метод оптимизации многопараметрических многоэкстремальных функций. Результаты расчета оптимальных значений параметров проведения процесса могут быть применены для разработки системы автоматизированного управления процессом нитрования толуола.

Обзор существующих исследований

Основные принципы математического моделирования химических реакторов описаны в работе В.В.Кафарова «Математическое моделирование основных процессов химических производств». В ней рассмотрено математическое описание процессов тепло- и массопереноса, кинетики химических реакций.

Моделирование гетерогенных жидкофазных реакций описано в статье Ю.В.Шарикова и Ф.Ю.Шарикова «Моделирование процессов в двухфазной системе жидкость-жидкость в проточном реакторе полного смешения». В работе разработана математическая модель химического процесса в двухфазной системе, протекающего в проточном реакторе идеального смешения. Получены аналитические решения уравнений математической модели, позволяющие рассчитать диффузионные потоки в пленке и в объеме сплошной фазы. Проведены численные решения полученных уравнений и показано, что учет сферической формы пленки дает более точное решение для определения диффузионных потоков, скорости процесса и концентраций реагентов.

В книге Обновленского П. А., Мусякова Л. А., Чельцова А. В. "Системы защиты потенциально опасных процессов химической технологии" рассматриваются автоматические системы защиты процессов химической технологии. Приводятся основные сведения о потенциально опасных процессах и о системах защиты, материал об информационном обеспечении и надежности систем защиты, о функционировании логических злементов в системах управления, описываются системы автоматической защиты, реализующие различные алгоритмы управления.

Наиболее подробно механизм реакции нитрования толуола описан в работе Орловой Е.Ю. «Химия и технология бризантных взрывчатых веществ». В книге описаны свойства и способы получения бризантных взрывчатых веществ, даны характеристики исходных и промежуточных продуктов. Рассмотрены теоретические основы технологических процессов и принципы устройства реакционной аппаратуры.  Приведено несколько различных схем нитрования толуола, применявшиеся в промышленности в различное время в разных странах.

Кинетика химических реакций и динамическое равновесие процессов фрагментации-коалесценции в двухфазных жидкостных системах (эмульсиях) описаны в статье «Chemical kinetics in dispersed-phasereactors» Ben J. McCoy and Giridhar Madras. Авторы приводят уравнения для кинетики процессов фрагментации, агрегации и химической реакции, протекающих одновременно. Решение этих уравнений показывают, как материальный баланс химической реакции может быть скомбинирован с динамикой распределения реагентов между фазами.

«Математическое программирование в задачах химической технологии» С.Г.Глебов, А.И.Мубараков – в данном пособии излагаются методы решения задач оптимизации, которые обычно называются методами нелинейного программирования связанные с решением задач как условной, так и безусловной оптимизации функций многих переменных.

Краткое описание модели нитрования толуола

Схематическое изображение первой стадии нитрования толуола - нитроний-катион NO₂⁺ присоединяется к ароматическому ядру, образуя π-комплекс; затем группа NO₂ смещается в орто-положение относительно метильной группы с образованием σ-комплекса; завершается реакция отделением иона водорода Н⁺.

Целью моделирования является расчет состава и температуры реакционной смеси на выходе из аппарата (для реактора с непрерывным режимом работы) или распределение концентраций реагентов в смеси и температуры смеси по времени (для реактора периодического действия).

Материальный баланс

В общем случае изменение концентрации в реакционной смеси выражается уравнением:

где W_пер – изменение концентрации реагента вследствие гидравлического переноса;

W_хр – изменение концентрации реагента вследствие химической реакции;

Для реактора, работающего в периодическом режиме W_пер=0, в непрерывном . Изменение концентрации реагента вследствие химической реакции для реакции, протекающей по схеме

А + В –> С + D

определяется по закону действующих масс:

где k – константа скорости химической реакции

С_А, С_В – текущие молярные концентрации реагентов А и В соответственно.

В упрощенном виде (без учета окислительных процессов и образования несимметричных нитротолуолов) схема реакции нитрования выглядит как:

C₇H₈ + HNO₃ –> C₇H₇ NO₂ + H₂O

C₇H₇NO₂ + HNO₃ –> C₇H₆ (NO₂)₂ + H₂O

C₇H₆(NO₂)₂ + HNO₃ –> C₇H₅(NO₂)₃ + H₂O

Тогда изменения концентрации для каждого реагента будут равны (для периодического реактора):

(1)

Путем совместного решения этих дифуравнений можно определить распределение концентраций реагентов во времени.

Реакция нитрования протекает в гетерогенных условиях – в реакторе присутствуют две фазы: органическая, изначально содержащая толуол, и минеральная – нитрующая смесь и растворенный толуол. Скорость диффузии компонентов через границу раздела фаз может быть описана уравнением

где K_d – коэффициент массопередачи;

F – площадь поверхности раздела фаз;

С_i^* – равновесная концентрация i-го компонента;

М_i – молярная масса i-го компонента;

Равновесная концентрация реагента может быть выражена как

С_i^* = m_i C_i

где m_i – коэффициент распределения i-го компонента между минеральной и органической фазами.

Нитрующим агентом в смеси концентрированных серной и азотной кислот является катион нитрония NO₂⁺ поэтому в уравнения (1) вместо концентраций азотной кислоты следует подставлять концентрацию NO₂⁺. Непосредственно определить концентрацию NO₂⁺ в смеси невозможно. Ее можно рассчитать двумя путями:

1) На основе эмпирических данных о степени диссоциации азотной кислоты (степень диссоциации зависит от соотношения концентраций серной кислоты, азотной кислоты и воды в растворе):

Зависимость степени превращения HNO₃ в NO₂⁺ от соотношения H₂SO₄/H₂O

2) По известной константе равновесия для реакции диссоциации (решением уравнения для константы равновесия относительно концентрации NO₂⁺):

Тепловой баланс

Изменение температуры в реакторе происходит вследствие разницы температур входящих и выходящих потоков, тепловых эффектов химических реакций и теплопередачей между реакционной смесью и окружающей средой (в случае принудительного подогрева/охлаждения - с теплоносителем) и описывается уравнением:

где W – расход смеси

t_вых – температура смеси на выходе из реактора;

t_вх – температура смеси на входе в реактор;

ΔН_i – тепловой эффект i-ой реакции.

К_Т – коэффициент теплопередачи через стенку реактора;

F_r – площадь поверхности реактора.

t – температура смеси в реакторе;

t_о – температура окружающей среды.

С – теплоемкость смеси в реакторе.

Первый член этого уравнения описывает изменение температуры вследствие переноса тепла входящими и выходящими потоками, второй - изменение температуры вследствие тепловых эффектов реакций, третий - теплоообмен с окружающей средой.

Для реактора периодического действия первый член этого уравнения будет равен нулю (нет входящих и выходящих потоков). Для адиабатического реактора (без теплообмена с окружающей средой) последний член этого уравнения будет равен нулю.

Текущие разработки

На настоящее время реализована модель адиабатического реактора идеального смешения периодического действия. Получено распределение концентраций компонентов смеси и температуры стечением времени. В дальнейшем планируется расширить модель введением в нее уравнений, описывающих процессы окисления толуола азотной кислотой, нитрование с образованием побочных продуктов – несимметричных нитротолуолов, уравнений для описания теплообмена с окружающей средой. Также планируется реализовать модель реактора непрерывного действия и модель каскада реакторов с прямоточным и противоточным движением реагентов между каскадами.

Список литературы

1. Орлова Е.Ю. «Химия и технология бризантных взрывчатых веществ» Ленинград, «Химия», 1981г., 312 с.
2. Кафаров В.В. «Математическое моделирование основных процессов химических производств»
3. Галиакберов З.К. «Основы расчета химических реакторов» Казань, 1976 г., 196 с.
4. Basil T.Fedoroff «Encyclopedia of explosives and related items» Pacarinny Arsenal, Dover, New Jersey, USA, 1960.
5. Tadeuzs Urbanski «Chemistry and technology of explosives» Pergamon Press, PWN - Polish Scientific Publishers, Warszava, 1962.
6. Ben J.McCoy Giridhar Madras «Chemical Kinetics in Dispersed-Phase Reactors» INTERNATIONAL JOURNAL OF CHEMICAL REACTOR ENGINEERING, Volume1, 2003.
7. С.Г.Глебов, А.И.Мубараков «Математическое программирование в задачах химической технологии» Уфа, 2002
8. Ю.В.Шарикови Ф.Ю.Шариков «Моделирование процессов в двухфазной системе жидкость-жидкость в проточном реакторе полного смешения» «Химическая промышленность» т.80 №7, 2003
9. Стариков Алексей «Генетические алгоритмы. Математический аппарат» http://www.basegroup.ru/genetic/math.htm
10. Т.Н.Гартман Д.В.Клушин «Компьютерное моделирование химических процессов» Курс лекций http://technosystems1.narod.ru/study/modelling/lectures.html