МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПОДГОТОВКИ ГОРЯЧЕГО ГАЗА В ВЫПАРНОМ АППАРАТЕ ПРИ КОНЦЕНТРИРОВАНИИ РАСТВОРОВ

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены вопросы моделирование процесса сжигания природного газа в барботажном выпарном аппарате. Указана, возможность увеличения температуры газа с увеличением содержание кислорода в воздухе. 

ABSTRACT

This article  modelling of process burning of natural gas in the barbotagical evaporating device is considered questions. It is specified, an opportunity increase in temperature of gas with increase the maintenance of oxygen in air.

Ключевые слова: выпарной аппарат, анализ, процесс горения, процесс выпаривания, концентрирование.

Keywords: evaporator, analysis, evaporation process, combustion process, concentration.

Контактные выпарные аппараты позволяют выпаривать раствор без нагревательных элементов, так как основным источником тепла являются топочные (дымовые) газы, полученные в топках (погружных горелках), работающих на газообразном и жидком топливе. Аппараты контактного типа широко применяется в промышленности минеральных удобрений [1,4].

В производстве гранулированного аммофоса одним из важнейших технологических переходов, определяющих как качество выпускаемого продукта, так и технологические показатели всего производства, выступает выпаривание аммофосной суспензии [2].

При выпаривании аммофосной пульпы в качестве теплоносителя часто используют топочные газы, образовавшиеся в результате сжигания топлива [1,4]. Барботажных выпарных аппаратов, особенно при выпаривание аммофосной пульпы, большой значение имеет анализ процесса подготовки горячего газа.

Основным условием для сжигания топлива являются наличие достаточного количества воздуха (кислорода) при хорошем перемешивании в процессе горения.

Рассмотрим структурную схему процесса подготовки горячего газа.

Входными параметрами системы являются: расходы и температуры газа и воздуха.

Элемент подготовки газа в выпарной аппарат - топка имеет входные параметры: расход топлива D_о и температуры топлива t_д0, расход воздуха G_во и температура воздуха t_во. Из топки под давлением Р_вдо выходит воздушная смесь с расходом G_вдо и температурой t_вдо (рис. 1).

В блоке происходит сжигание топлива и образование горячего воздуха и осуществляется регулирование соотношения между расходом топлива D_о, с температурой t_д и воздуха с расходом G_во, температурой t_во и давлением Р_в. При взаимодействии этих двух компонентов происходит сжигание топлива и образование горячего газа. Горячий газ с расходом G_вдо, температурой t_вдо и давлением Р_во поступает в выпарную систему.

Рисунок 1. Структурная схема процесса подготовки горячего газа

В блоке необходимо поддерживать соотношение расходов топлива и атмосферного воздуха в зависимости от количества кислорода в атмосферном воздухе. Можно регулировать подачу воздуха и организовать систему управления соотношением и расходом воздуха с подаваемым топливом - в зависимости от расхода топлива и содержания кислорода в атмосферном воздухе.

Теперь возникает другая задача о содержании кислорода воздуха. Для этого вводим коэффициент k¹, характеризующий содержание кислорода в воздухе. Если это соотношение на входе в объект автоматизирования будет поддерживаться в правильном соотношении, то добьемся максимального использования газа, следовательно, оптимальной работы топки. Эффективность работы этого объекта падает, если будут отклонения. Поэтому в дальнейшем, для того, чтобы создать, систему оптимального управления этим объектом необходима его математическая модель.

Воспользуемся уравнением теплового баланса [3], для формализации математического описания процесса сжигания газа в топке:

где  q_вх - количество тепла входящего с газом и воздухом;

q_вых -  количество тепла уходящего из топки газа;

q_i - количество тепла которые, в топке происходит реакция окисления метана в среде кислорода.

Входящее тепло записано за счет уравнением:

где  G₁, G₂- расходы теплоты газа и воздуха;

 с₁, с₂ - теплоемкости газа и воздуха, ;

t₁, t₂- температуры газа и воздуха, °С.

Выходящее количество тепла определяется уравнением:

Тепло, выделенное на основе сжигания метана, написано уравнением

где  J- энтальпия преобразование тепло, Дж/кг;

Если входящее и выходящее тепла будут равны друг другу, то динамики процесса почти не будет, если будут изменения при входе или выходе, то возникает, динамика процесса характеризуется, тепло в объеме топки уравнением

В свою очередь тепло топки характеризуется массой и теплоемкостью газа, а масса характеризуется объемом газа в топке и плотностью газа. Это уравнение

После некоторых преобразований с учетом уравнений (4, 5, 6) можно получить математическое описание температуры газа выходящего. Она характеризуется уравнением:

Математическая модель процесса сжигания газа в топке имеет вид:

Алгоритм исследования математического описания процесса сжигания газа в топке разработан с помощью пакета прикладных программ «MATLAB». На рис. 2 представлена модель решения задачи для случая сгорания природного газа в горелке.

Рисунок 2. Модель процесса подготовки горячего газа

Данная модель позволяет определить изменение выходящей температуры газа при различных значениях входных параметров t₁, t₂, G₁ и G₂, в частности.

Численные эксперименты выполнены для следующих значений исходных данных: расход газа G₁=0,2 кг/с, расход воздух G₂=3,2 кг/с; объем топки =1м³ [5]. Полученные результаты исследования приведены на рис. 3.

Рисунок 3. Изменение температуры горячего газа от времени

 Влияние расхода газовой смеси из топки на зависимость температуры от расхода воздуха приведено на рис. 4.

Рисунок 4. Зависимость температуры газа от расхода воздуха

Как видно из рисунка 4, с изменением расхода газа в интервале 4,0÷8,0 кг/с температура газа выходящего из топки уменьшается параболический с 891,9 до 491ºС.

Таким образом, для эффективной работы выпарного аппарата необходимые условия, где можно осуществлять такую систему, где в систему будет подаваться дополнительный кислород.

Предлагаемая математическая модель процесса в топки может быть использована для оптимального проектирования и управления на действующем производстве.

Список литературы:

1. Алабовский А.Н. Выпарные аппараты погружного горения.- Киев. Вища школа. 1980, -119 с. 
2. Дохолова А.Н., Кармышов В.Ф., Сидорина Л.В. Производство и применение аммофоса. - М.: Химия, 1977. - 240 с.
3. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. - М.: Альянс, 2004. - 750 с.
4. Попов Н.П. Выпарные аппараты в производстве минеральных удобрений. – М.: Химия, 1974. – 128 с
5. Рейпназарова З.Д., Артиков А.А. Математическая модель процесса выпаривания в рабочей зоне барботажного выпарного аппарата // Химическая промышленность. – Москва, 2008. т.85. – №6. – С. 310–313