Виробництво хлороводневої (соляної) кислоти

Для початку необхідно  знайти кількість HCl, яка буде поглинута водою

де  – початкова і кінцева концентрація HCl в газовій суміші.

де  – початкова і кінцева рівноважна концентрація HCl в газовій суміші.

Знаходимо рушійну силу процесу:

Знаходимо площу поверхні масообміну:

Висота шару насадки:

Дане математичне забезпечення дає змогу розрахувати необхідні  конструктивні параметри насадкового  абсорберу. Реалізація розрахунку описана  в наступному підрозділі.

 

3.3 Реалізація  розрахунку в середовищі MathCad

 

Як початкові величини при розрахунку абсорбера насадкового  типу є початкова концентрація хлороводню у воді, у газі, тиск та температура, за якої відбувається абсорбція.

Алгоритм розрахунку:

1. Задаємося початковими умовами;
2. Розраховуємо діаметр колони;
3. Розраховуємо значення об'ємного коефіцієнту масопередачі;
4. Знаходимо висоту шару насадки;
5. Складаємо математичну модель процесу, що відбувається в абсорбері;
6. Проводимо розрахунок методом Рунге-Кутта.

Для розрахунку абсорбера використаємо програмне середовище MathCad.

Спершу  визначаються фізико-хімічні константи  сумішей (для рідини і для газу) – густина і динамічний коефіцієнт в’язкості, коефіцієнт дифузії (табл. 3.2).

Таблиця 3.2 – Фізико-хімічні властивості  рідини і газу

Фізико-хімічні властивості	Рідина	Газ
Густина, кг/м3	258,348	1,415
Динамічний коефіцієнт в’язкості, мПа·с	0,624	1,525·10-5
Коефіцієнт дифузії, м2/с	9,292·10-8	0,09

 

Обираємо  насадки – керамічні кільця 15×15×2. Характеристики насадок: питома поверхня – 330 м²/м³, вільний об’єм – 0,7, еквівалентний діаметр – 8,485·10^-3 м, коефіцієнт змоченості насадки – 0,9.

Розрахуємо  діаметр колони. Для початку знайдемо значення фіктивної швидкості ω_з з формули [1]:

Розв’язавши це рівняння отримаємо, що .

Робочу  швидкість приймають рівною .

Приймемо  .

Діаметр абсорбційної колони розрахуємо за рівнянням  витрати для газового потоку:

Обираємо  стандартний діаметр колони [2] d=0,8 м.

Для розрахунку коефіцієнту масопередачі, необхідно розрахувати значення коефіцієнтів масовіддачі. Для цього  спершу розрахуємо значення критерію Рейнольдса (Re), дифузійного критерію Прандтля (Pr) і приведену товщину рідкої плівки:

 

Розраховуємо  значення коефіцієнтів масовіддачі  за критеріальними рівняннями[1]:

Для знаходження коефіцієнту масопередачі також необхідно знайти тангенс  кута нахилу лінії рівноваги. Значення рівноважних концентрацій знаходимо  за експериментальними даними (табл.3.2).

 

 

 

 

 

Таблиця 3.3 – Експериментальні дані рівноважних концентрацій HCl в газовій суміші залежно від концентрації в рідині

x, мол.долі	y*, мол.долі
0.0101	0.000000619
0.0205	0.000003027
0.0314	0.00000816
0.0427	0.000018164
0.0544	0.000037117
0.0665	0.000076338
0.079	0.00015923
0.0919	0.000325074
0.1052	0.000677789
0.1189	0.001394867
0.133	0.002868707
0.1476	0.005923001
0.1625	0.012112537
0.1778	0.025133268
0.1936	0.051855874
0.2097	0.106614018
0.2263	0.211846002
0.2432	0.423790721
0.2606	0.787068115

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 3.1 – Графічна інтерпретація лінії рівноваги

 

Знаходимо значення коефіцієнту розподілення:

m=1.937·10^-3

Знаходимо значення коефіцієнту масопередачі (за формулою 3.3):

Знаходимо значення об'ємного коефіцієнта:

З графіку видно, що залежність рівноважної  концентрації в газі від концентрації в рідині цільового компонента не лінійна. За допомогою вбудованих функцій  MathCad, а саме regress(X, Y,n) і interp(z,X,Y,x), знаходимо коефіцієнти поліноміальної моделі 5 порядку, що буде описувати дану залежність. Отримаємо:

  (3.4)

Розв’язавши систему з трьох рівнянь (3.1 і 3.4), отримуємо на виході хлороводневу кислоту концентрацією 33.5% мас. Діаметр колони 0,8 м, висота шару насадок – 1,3 м.

Відомо, що висота шару насадок не повинна  перевищувати 4d, тобто умова виконується і можна використовувати один шар насадок висотою 1,3 м.

Концентрація  хлороводню у газі на виході з апарату  становить 35,5% мас. Порівнюючи з результатами матеріального балансу видно, що дані  збігаються.

Таким чином було розраховано конструктивні  параметри абсорбційної колони. Діаметр  колони та висота шару насадок абсорбційної колони для поглинання хлороводню водою  дорівнюють відповідно 0,8 м і 1,3 м.

 

3.4 Структура  та технічні характеристики обчислювального  модуля

 

Розроблене  програмне забезпечення реалізує конструктивний розрахунок насадкового абсорбера. Виконується обчислення зміни концентрації HCl в рідині та газовій суміші залежно від висоти абсорбера. Дані залежності наведено в таблицях.

Вхідними  даними є значення наведені в таблиці 3.1. До розрахункових значень належать конструктивні параметри апарату.

Для реалізації поставленого завдання перш за все проводиться робота зі створення інтерфейсу у вікні  дизайнера форм , що займає центральне місце на екрані. З допомогою елементів  керування будується макет робочого вікна програми – форма. Форма  – це своєрідне обличчя програми, що відображає її функціональні можливості, передбачає засоби задання вхідних даних, вибору певних функцій, а також представлення результатів.

 

 

 

 

Програма  реалізує такі процедури:

• Обробка події натиснення на кнопку Вихід (Form1.Command3_Click());

(Form2.Command4_Click());

(Form3.Command1_Click());

• Обробка події натиснення на кнопку Розрахувати

(Form1.Command1_Click());

• Обробка події при запуску головного вікна

(Form1_Load());

• Обробка події натиснення кнопки Розрахувати (Form2.Command1_Click())
• Обробка події Продовжити розрахунок

(Form2.Command2_Click())

• Обробка події натиснення кнопки Розрахувати методом Рунге-Кутта

(Form2.Command3_Click())

• Обробка події натиснення кнопки Вивести результати розрахунку (Form3.rezultat_Click())

 

Лістинг програми наведено у додатку Г.

 

3.5 Керівництво  користувача програмного модуля

 

Після запуску програмного модуля з'являється  головне вікно вводу початкових даних (рис.3.2).

Рисунок 3.2 – Головне вікно програмного  забезпечення

 

В даному вікні відображаються всі  необхідні для розрахунку дані. Для  розрахунку конструктивних параметрів необхідно натиснути кнопку Розрахунок. Після натискання маємо наступне вікно (рис.3.3).

 
Рисунок 3.3 – Конструктивні та проміжні розрахунки

Щоб правильно провести розрахунки в  першу чергу необхідно натиснути  кнопку Розрахувати у лівому верхньому  кутку. Розрахунок зупиниться, коли необхідно  буде обрати діаметр із нормального  ряду діаметрів, прийнятих у хімічній промисловості (рис.3.4). Також буде виведено на екран фіктивну та робочу швидкість  газу.

Рисунок 3.4 – Обрання діаметру колони

Необхідно обирати діаметр колони, найближчий до того який був розрахований програмою. В даному випадку обираємо діаметр 0,8 м і натискаємо Продовжити розрахунок (рис.3.5).

Рисунок 3.5 – Розрахунок висоти шару насадок

Після спрацьовування натиснутої кнопки, в результаті ми отримуємо висоту шару насадок, а також досить важливі  проміжні розрахунки, такі як коефіцієнти  масовіддачі, масопередачі і площі  поверхні контакту фаз. На даному етапі  всі конструктивні параметри  розраховані. Але програмою передбачено  слідкування за зміною концентрації HCl в залежності від висоти апарату. Рішення диференціальних рівнянь було реалізовано за допомогою метода Рунге – Кутта. Результати обчислень можна подивитись натиснувши кнопку Розрахунок моделі методом Рунге – Кутта =>Вивести результат обчислення (рис.3.6).

Рисунок 3.6 – Результати розв'язку математичної моделі

Отже, в дипломному проекті в  середовищі Visual Basic 6.0, було розраховано конструктивні параметри, на основі яких було обрано апарат, що згідно ГОСТ 9617-76 має діаметр 0,8 м і висоту 2 м.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4 Автоматизація  технологічної схеми виробництва  хлороводневої кислоти

 

4.1 Вибір  і обґрунтування параметрів контролю  і управління

 

Технологічна  схема виробництва хлороводневої  кислоти (рис 1.1) є об’єктом автоматизації. Ціллю технологічного процесу виробництва хлороводневої кислоти є отримання необхідного виходу продукту із заданою концентрацією. Так як співвідношення вхідних речовин (водню необхідно подавати на 3% більше проти стехіометрично необхідного для спалювання хлору) впливає на протікання процесу, то необхідно його регулювати.

Аналіз  технологічної схеми показав, що для забезпечення необхідного протікання процесу треба здійснювати регулювання  наступних величин:

1. Регулювання співвідношення витрати технічного водню і технічного хлору, що надходять до печі.
2. Стабілізації температури на виході з пластинчастого холодильника-абсорбера.
3. Сигналізацію про заповнення збірника готового продукту.
4. Контроль температури та тиску в печі зануреного горіння.
5. Контроль температури води, що подається до мокрого скрубера.
6. Сигналізація концентрації водню на виході зі скрубера.

 

Без реалізації заданого регулювання  можливе протікання процесу в  іншому напрямку та відхилення від  запланованого виходу продукту.

На підставі аналізу технологічної  схеми було визначено необхідний рівень автоматизації виробництва, обрано об’єкти автоматизації, регульовані  і регулюючі параметри, визначено  параметри контролю, реєстрації та регулювання. Для обраних параметрів було визначено необхідну точність вимірювання і регулювання (норми технологічного режиму) та діапазони їх можливої зміни. Ці дані наведені в таблиці 1.

Таблиця 4.1 – Параметри регулювання та контролю виробництва

№	Місце заміру параметру на технологічному об‘єкті	Параметр, що регулюється (найменування)	Норми технологічного режиму	Вимоги до схеми автоматизації (вимірювання, регулювання, сигналізація, тощо)
1	Трубопровід для технічного водню	Витрата	Хлор: Водень 1:1.05	Регулювання
2	Трубопровід для технічного хлору
3	Трубопровід на виході з холодильника- абсорбера	Температура	40±2 ºС	Стабілізація
4	Збірник готового продукту	Рівень	80%	Сигналізація
5	Піч зануреного горіння	Температура	106±2 ºС	Контроль
6	Піч зануреного горіння	Тиск	1 атм. ±5%	Контроль
7	Трубопровід подачі зрошуючої води в  скрубер	Температура	20±2 ºС	Контроль
8	Трубопровід на виході зі скрубера	Концентрація водню	4%±0,2%	Сигналізація