КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ УПРАВЛЕНИЯ КАТАЛИТИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ ПРИ ПОЛИТРОПИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТРУБЧАТОГО РЕАКТОРА
Аннотация
В данной статье представлены результаты разработки математической модели для количественной оценки текущего профиля степеней превращения целевого компонента химически активной реакционной газовой смеси по ходу ее движения в политропическом трубчатом реакторе типа «труба в трубе». Объем внутренней трубы реактора заполнен гранулами катализатора и является зоной экзотермической химической реакции. Для разработки моделей полей концентраций и температур в зоне реакции использованы соответствующие балансовые дифференциальные уравнения. Такая математическая модель позволяет проводить оперативный анализ технологического режима реактора при подготовке исходных данных на проектирование и разработку системы автоматического управления. Для компьютерного моделирования математическое описание реактора представлено системой дифференциальных уравнений в форме Коши. Проведена апробация модели на примере оценки процесса каталитического контактного окисления диоксида серы в реакторе с прямоточной схемой теплоносителей и возвратом подогретой исходной газовой смеси на вход труб с катализатором. Полученная зависимость степени превращения от температуры по ходу реактора имеет характерный вид, который совпадает с описанным в литературных источниках. Предложена структурная модель системы автоматического управления политропическим трубчатым реактором, которая ориентирована на использование компьютерного моделирования. Проведена апробация модели системы автоматического управления на конкретном примере стабилизации степени превращения диоксида серы на выходе реактора при нестабильном расходе исходной газовой смеси на входе. Для оценки возможности и качества разработанной системы управления использована среда динамического моделирования технических систем SimInTech. Предполагается, что разработанная в статье математическая модель может быть использована при создании адаптивных или самонастраивающихся систем управления технологическими процессами, в которых используются трубчатые реакторы.
Для цитирования:
Андреев А.С., Аксенчик К.В. Компьютерное моделирование и оценка возможности управления каталитическим процессом при политропическом режиме работы трубчатого реактора. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2023. Т. 66. Вып. 2. С. 120-127. DOI: 10.6060/ivkkt.20236602.6727.
Литература
Kafarov V.V. Methods of cybernetics in chemistry and chemical technology. M.: Khimiya. 1985. 448 p. (in Rus-sian).
Gartman T.N., Klushin D.V. Fundamentals of computer modeling of chemical and technological processes. M.: Akademkniga. 2008. 416 p. (in Russian).
Golovanchikov A.B., Dulkina N.A., Efremov M.Yu. Modeling of non-isothermal tubular reactors by response functions. Theor. Osnovy. Khim. Tekhnol. 2011. V. 45. N 4. P. 386-390 (in Russian).
Golovanchikov A.B., Dulkina N.A., Aristova Yu.V., Fotina N.I. Diffusion model of flow structure for poly-tropic tubular reactors. Izv. Volgograd. Gos. Tekhn. Univ. 2013. N 1 (104). P. 54-58 (in Russian).
Malygin E.N., Mikhailova P.G., Ryabinin V.S., Uskov A.S. On the method of designing a tubular reactor. Vestn. Tambov. Gos. Tekhn. Univ. 2012. V. 18. N 3. P. 578-582 (in Russian).
Malygin E.N., Ryabinin V.S. Mathematical modeling of a tubular reactor. Controlling the activity of the catalyst. Vestn. Tambov. Gos. Tekhn. Univ. 2013. V. 19. N 1. P. 38-42.
Shishlyannikov V.V., Pavlov D.A., Kalikin A.A. Heat transfer in tubular reactors of ideal displacement. Izv. Volgograd. Gos. Tekhn. Univ. 2014. N 1 (128). P. 85-87 (in Russian).
Boboerov R.A., Avyazov T.A. Modeling of a tubular chemical reactor in an application software package MatLab. Universum: tekhn. nauki. 2021. N 4(85). (in Russian). Date of the address 25.08.2022. Access mode: https://7universum.com/ru/tech/archive/item/11580. DOI: 10.32743/UniTech.2021.85.4-3.80-83.
Safiullina L.F., Gubaidullin I.M. Investigation of parametric sensitivity of tubular reactors. Vestn. Bashkir. Univ. 2021. V. 26. N 4. P. 899-902 (in Russian). DOI: 10.33184/bulletin-bsu-2021.4.7.
Luyben W.L. Chemical reactor design and control. Wiley. 2007. 430 p.
Dostál, P., Bobál V., Vojtěšek J. Simulation of steady-state and dynamic behaviour of a tubular chemical reac-tor. Proc. 22nd European Conference on Modelling and Simulation. ECMS 2008. Nicosia. Cyprus. 2008. Р. 487-492. DOI: 10.7148/2008-0487.
Vojtesek J., Dostal P. Adaptive control of the tubular reactor with co- and counter-current cooling in the jacket. Proc. 23rd Conference on Modelling and Simulation. ECMS 2009. P. 544-550. DOI:10.7148/2009-0544-0550.
Dostál P., Vojtěšek J., Bobál V. Simulation of adaptive control of a tubular chemical reactor. Proc. 26th Europe-an Conference on Modelling and Simulation. ECMS 2012. DOI: 10.7148/2012-0419-0425.
Dostal P., Bobal V., Vojtesek J. Adaptive LQ cascade control of a tubular chemical reactor. MATEC Web Conf. 2016. V. 76. DOI: 10.1051/matecconf/20167601004.
Nájera I., Álvarez J., Baratti R., Gutiérrez C. Control of an exothermic packedbed tubular reactor. Paper pre-sented at the IFAC-PapersOnLine. 2016. N 49(7). P. 278-283. DOI: 10.1016/j.ifacol.2016.07.282.
Polosin A.N. Computer modeling system of chemical processes in tubular reactors. J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1479. N 1. DOI: 10.1088/1742-6596/1479/1/012076.
Aris R. Analysis of processes in chemical reactors. L.: Khimiya. 1967. 328 p. (in Russian).
Kutepov A.M., Bondareva T.I., Berengarten M.G. General chemical technology. M.: Akademkniga. 2007. 528 p. (in Russian).
General chemical technology. Pt. 1: Theoretical foundations of chemical technology. Ed. by I.P. Mukhlenov. M.: ID "Al'yans ". 2009. 254 p. (in Russian).
Frank-Kamenetsky D.A. Fundamentals of macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics. Dol-goprudnyj: Izd. Dom «Intellekt». 2008. 408 p. (in Russian).
Zakheim A.Yu. General chemical technology: introduction to modeling of chemical and technological processes. M.: Logos. 2012. 304 p. (in Russian).
Boreskov G.K. Catalysis in the production of sulfuric acid. M. L.: Goskhimizdat. 1954. 198 p. (in Russian).
Aksenchik K.V. Sulfuric acid technology. Cherepovets: Cherepovets gos. Univ. 2017. 209 p. (in Russian).
Andreev A.S., Aksenchik K.V. Modeling and evaluation of the implementation of an energy technological furnace device into practice. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 6. P. 81-87 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226506.6525.
Kartashov B.A., Shabaev E.A., Kozlov O.S., Shchekaturov A.M. SimInTech technical systems dynamic mod-eling environment. Workshop on modeling of automatic control systems. M.: DMK Press. 2017. 424 p. (in Rus-sian).
Nikulin E.A. Foundations of the theory of automatic control. Frequency methods of analysis and synthesis of systems. SPb.: BHV-Petersburg. 2015. 632 p. (in Russian).
