МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУЛЬФИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДОБАВОК ДЛЯ БЕТОНОВ

​MODELING OF THE SULFATION PROCESS IN THE PRODUCTION OF CONCRETE ADDITIVES

Vitaly Nakonechny

master's student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Alexander Ilin

master's student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Ivan Firsov

master's student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается разработка математической модели технологического процесса сульфирования при производстве добавок для бетонов.

ABSTRACT

The article discusses the development of a mathematical model of the technological process of sulphonation in the production of additives for concrete.

Ключевые слова: химические добавки для бетонов, сульфирование, объект управления, математическая модель.

Keywords: chemical additives for concrete, sulfonation, control object, mathematical model.

Спрос на химические добавки для бетона стабильно высок, что связано со значительными объемами строительства.

Одной из основных стадий при производстве таких добавок является процесс сульфирования, протекающий в сульфураторе, представляющем реактор с мешалкой и рубашкой.

Задачу снижения себестоимости производства добавок для бетонов невозможно решить без исследования процесса с использованием методов математического моделирования.

Для разработки математической модели и имитационного исследования процесса сульфирования необходимо выявить существенные входные и выходные переменные процесса. Рассмотрим сульфуратор как объект управления. К входным параметрам процесса сульфирования относятся: температура окружающей среды, давление греющего пара в заводской сети, температура охлаждающей воды на входе в рубашку сульфуратора, масса и температура исходных компонентов реакции, расход серной кислоты в сульфуратор.

К основным выходным переменным можно отнести температуру реакционной смеси, масса и концентрации веществ в сульфураторе.

Таким образом, сульфуратор как ОУ может быть проиллюстрирован следующим образом (рисунок 1).

Рисунок 1. Схема сульфуратора как объекта управления

При составлении математической модели процесса сульфирования принимаются следующие допущения [1]:

- реактор и рубашка с теплоносителем рассматриваются как объекты идеального смешения;

- теплофизические параметры веществ постоянны;

- тепловой емкостью рубашки пренебрегаем.

На стадии сульфирования протекает следующая химическая реакция [2]:

а) Общий материальный баланс реакционной смеси:

,    ,

где  - масса реакционной смеси, кг;  - масса смеси в момент начала подачи серной кислоты, кг;  - расход раствора серной кислоты в реактор, кг/с,  - масса загружаемого нафталина, кг.

б) Покомпонентный материальный баланс реакционной смеси:

,   , ,, , ,

где  - концентрация нафталина, моль/кг;  - концентрация серной кислоты, моль/кг;  - концентрация сульфосоединения, моль/кг;  - концентрация воды, моль/кг;  - концентрация серной кислоты на входе в реактор, моль/кг;  - концентрация воды на входе в реактор, моль/кг;  - константа скорости реакции, кг2/(моль2 с),  - молярная масса нафталина, кг/моль.

Константа скорости реакции определяется по формуле:

,

где  - предэкспоненциальный множитель реакции, кг²/(моль² с);  - энергия активации, Дж/моль;  - температура реакционной смеси, °С;  - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль×°К).

в) Энергетический баланс для реакционной смеси:

,

,

где ,  - теплоемкости реакционной смеси, серной кислоты соответственно, Дж/(кг °С);  - температура серной кислоты, поступающей в реактор, °С;  - тепловой эффект реакции, Дж/моль; ,  - коэффициенты теплопередачи в системах «реакц. смесь – охлаж. вода», «реакц. смесь – греющ. пар», Дж/(м² с °С);  - площадь поверхности теплообмена в системах «реакц. смесь – охлаж. вода (пар)», м²;  - температура среды в рубашке реактора, °С;  - коэффициент, определяющий режим работы реактора: .

г) Материальный баланс для охлаждающей воды:

где ,  - расход охлаждающей воды на входе и выходе из стаканов, кг/с.

д) Энергетический баланс для рубашки:

,   ,

где  - теплоносителя в рубашке реактора, кг;  - теплоемкости воды, Дж/(кг °С);  - температура охлаждающей воды на входе в реактор, °С;  - удельная энтальпия греющего пара, Дж/кг; ,  - расход пара на входе и конденсата на выходе из рубашки реактора, кг/с;  - температура окружающей среды, °С;  - коэффициент теплопередачи в системе «реакц. смесь – окруж. среда», Дж/(м2 с °С);  - площадь поверхности теплообмена в системе «реакц. смесь – окруж. среда», м².

е) Материальный баланс для греющего пара: .

г) Энтальпия греющего пара зависит от его давления в магистрали:

,

где  - давление пара в магистрали, Па.

Таким образом, математическое описание динамики химического реактора представляет собой систему алгебраических и дифференциальных уравнений, с соответствующими начальными условиями.

Список литературы:

1. Моделирование систем: учебное пособие для вузов / И.А. Елизаров, Ю.Ф. Мартемьянов, А.Г. Схиртладзе, А.А. Третьяков. Тамбов: ФГБОУ ВПО ТГТУ, 2011. - 96 с.
2. Технология органических полупродуктов: Учебное пособие / В.С. Орехов, Т.П. Дьячкова, М.Ю. Субочева, М.А. Колмакова. Тамбов: Издательство ТГТУ, 2007. – 140 с.