skip to Main Content

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس :

راکتورهای شیمیایی یکی از مهم ترین تجهیزات در فرآیندهای شیمیایی به شمار می رود. در این مقاله شیوه شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس آموزش داده می شود. برای این کار ما یکی از سوالات کتاب طراحی راکتور فاگلر را توسط نرم افزار Hysys شبیه سازی می کنیم.

مسئله:

در این مقاله مثال شماره ۳ از فصل ۸ کتاب طراحی راکتور فاگلر را برای آموزش شبیه سازی راکتور PFR و CSTR انتخاب کرده ایم:

اطلاعات مسئله:

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

  1. فرآیند ایزومریزاسیون نرمال بوتان می باشد
  2. فرآیند به صورت آدیاباتیک انجام می شود
  3. واکنش در فاز مایع صورت می گیرد

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

حجم راکتور را برای راکتورهای PFR و CSTR محاسبه کنید؟

برای آشنایی با مفاهیم طراحی راکتورهای شیمیایی، روش حل دستی آن را نیز توضیح می دهیم.

مراحل حل دستی:

  1. ابتدا کسر تبدیل را به صورت فواصل مساوی در بازه صفر تا ۰٫۷ در نظر می گیریم (مثلا ۱۰ نقطه مساوی).
  2. حال به ازای هر یک از کسر تبدیل های فوق از موازنه انرژی زیر، دمای راکتور را محاسبه می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس
  3. به ازای تمامی دماهای به دست آمده از مرحله قبل و به کمک روابط زیر سرعت واکنش را حساب می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس
  4. برای محاسبه حجم راکتور PFR با استفاده از سرعت های واکنش به دست آمده از مرحله قبل، انتگرال زیر را به کمک روش های عددی محاسبه می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس
  5. برای محاسبه حجم راکتور CSTR به ازای کسر تبدیل ۰٫۷ و سرعت معادل آن رابطه زیر را به دست می آوریم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR در نرم افزار هایسیس :

۱- ابتدا همانند شکل زیر مواد موجود در فرآیند را وارد می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۲- چون مواد موجود در این فرآیند هیدروکربن های غیر قطبی می باشند، بسته ترمودینامیکی یا Fluid Package را معادله حالت Peng-Robinson انتخاب می کنیم.

۳- برای تعریف واکنش فرآیند، در قسمت Reactions با زدن دکمه Add یک Reaction set ایجاد کرده و وارد آن می شویم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۴- با زدن دکمه Add reaction یک واکنش ایجاد می کنیم. در این مرحله ۵ حالت برای تعیین واکنش داریم:

الف) Conversion: در این حالت نیازی به معادله سرعت نیست و فقط داشتن استوکیومتری و درصد تبدیل برای تعریف واکنش کافی می باشد.

ب) Equilibrium: در این حالت برای تعریف واکنش شما نیاز به دانستن استوکیومتری واکنش و رابطه بین دما و ثابت تعادل دارید

پ) heterogeneous catalytic: این حالت برای واکنش های کاتالیستی هتروژنی بوده و نیاز به رابطه سرعت رفت و برگشت و اطلاعات کاتالیست دارد.

ت) Kinetic: در این نوع واکنش ها علاوه بر استوکیومتری واکنش، نیاز به تعریف ثابت سرعت واکنش رفت و برگشت می باشد.

ج) Simple Rate: در این حالت نیز باید سرعت واکنش های رفت و برگشت و استوکیومتری واکنش را تعریف کرد.

با توجه به حالت های بالا و شرایط مسئله، نوع Kinetic را انتخاب می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۵- با توجه به داده های مسئله ما رابطه k و kc را داریم و بر اساس آن ها ثابت سرعت رفت و برگشت برابر زیر خواهد بود:

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۶- صفحه تعریف واکنش را باز کرده و در قسمت چپ پنجره باز شده، در ستون Component مواد شرکت کننده در واکنش را وارد می کنیم. سپس در ستون Stoich Coeff، ضرایب استوکیومتری (برای واکنش دهنده ها منفی و برای محصولات مثبت) را وارد می کنیم. اگر Balance Error عدد غیر صفر نشان دهد، موازنه به درستی صورت نگرفته است.

با توجه به داده های مسئله، سرعت واکنش بر مبنای غلظت مولی می باشد و مواد در فاز مایع می باشند. لذا مانند شکل زیر Basis را غلظت مولی انتخاب کرده و فاز واکنش را Liquid Phase انتخاب می کنیم. واحد غلظت مولی و واحد سرعت واکنش را نیز براساس داده ها انتخاب می کنیم. در آخر براساس داده های مرحله ۵ روابط سرعت واکنش رفت و برگشت را وارد می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۷- پس از تعریف مسئله، در پنجره Reactions، واکنش ساخته شده را انتخاب کرده و دکمه Add to FP را می زنیم تا Fluid Package مورد نظر را به واکنش اضافه کنیم. حال به محیط شبیه سازی نرم افزار هایسیس می رویم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۸- دو جریان خوراک برای راکتور های PFR و CSTR با مشخصات مسئله به صورت زیر تعریف می کنیم.

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۹- از منوی تجهیزات فرآیندی موجود راکتور PFR را انتخاب کرده و همانند شکل زیر پارامترهای طراحی آن را پر می کنیم. همانند شکل شماره ۱ جریان ورودی و خروجی را متصل می کنیم. چون فرآیند آدیاباتیک هست، پس جریان انرژی نداریم. با توجه به شکل شماره ۲ در قسمت Parameters مقداری افت فشار (۱۰kPa) برای سیال داخل راکتور در نظر می گیریم. در منو Reactions همانند تصویر شماره ۳، Reaction set خود را وارد می کنیم تا واکنش درون راکتور تعریف شود. سپس همانند تصویر شماره ۴ حجم و یکی از پارامترهای دلخواه طول و قطر راکتور را به دلخواه عدد گذاری می کنیم. در این قسمت می توان برخی پارامترهای طراحی همچون تعداد لوله ها و ضخامت لوله را تعیین کرد.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۱۰- در مرحله ۹ شبیه سازی راکتور PFR انجام شد اما درصد تبدیل ما دارای مقدار مطلوب ۷۰% نمی باشد. لذا ما باید حجم راکتور را تغییر دهیم تا درصد تبدیل به مقدار مطلوب برسد. اعمال این تغییرات به صورت دستی سخت و با خطای بالا می باشد. لذا ما از ابزار Adjust برای این کار استفاده می کنیم. از منو ابزار ADJ را افزوده و مانند تصویر زیر آن را تکمیل می کنیم. در تصویر سمت چپ Adjusted Variable متغیر مسئله یا همان حجم راکتور بوده و Target Variable پارمتر هدف یا همان درصد تبدیل می باشد. در منو Parameters نیز میزان خطا مجاز، میزان گام و حد بالا و پایین (اختیاری) را تعیین می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

 

۱۱- با مراجعه به مشخصات راکتور PFR می توان درصد تبدیل و حجم راکتور را مشاهده کرد.

شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۱۲- برای شبیه سازی راکتور CSTR از منوی تجهیزات فرآیندی موجود راکتور CSTR را انتخاب کرده و همانند شکل زیر پارامترهای طراحی آن را پر می کنیم. همانند شکل شماره ۱ جریان ورودی و خروجی ها (خرجی بخار و مایع) را متصل می کنیم. چون فرآیند آدیاباتیک هست، پس جریان انرژی نداریم. با توجه به شکل شماره ۲ در قسمت Parameters مقداری افت فشار (۱۰kPa) برای سیال داخل راکتور و درصد حجم مایع آن در نظر می گیریم. در منو Reactions همانند تصویر شماره ۳، Reaction set خود را وارد می کنیم تا واکنش درون راکتور تعریف شود. سپس همانند تصویر شماره ۴ حجم راکتور را به دلخواه عدد گذاری می کنیم. در این قسمت می توان برخی پارامتر های طراحی دیگر همچون شکل و نوع راکتور را تعیین کرد.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۱۳- در مرحله ۱۲ شبیه سازی راکتور CSTR انجام شد اما درصد تبدیل ما دارای مقدار ۷۰% نمی باشد. لذا ما باید حجم راکتور را تغییر دهیم تا درصد تبدیل به مقدار مطلوب برسد. از منو ابزار ADJ را افزوده و مانند تصویر زیر آن را تکمیل می کنیم.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

۱۴- با مراجعه به مشخصات راکتور CSTR می توان درصد تبدیل و حجم راکتور را مشاهده کرد.شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

مقایسه نتایج به دست آمده از روش حل دستی و روش شبیه سازی به کمک نرم افزار هایسیس به صورت زیر می باشد:

فیلم آموزش شبیه سازی راکتور PFR و CSTR توسط نرم افزار هایسیس

دیدگاه بگذارید

avatar
  خبر دار شدن  
از
VimeoTelegramInstagramYoutube
Back To Top