смесителе - Narod.ru

ООО«КПМ»
Моделированиехимическихреакцийвструйном
смесителерастворовразнойплотностивдинамическом
режимеработы.
Цель работы: Моделирование процесса химических реакций между щелочными и
кислыми средами в струйном смесителе, растворёнными в технической воде, в
динамическом режиме работы.
В программе КОМПАС 3D была построена трехмерная модель устройства.
Модель использовалась для задания расчетной сетки в рабочей области (внутренняя
полость устройства). Расчетная сетка была построена с помощью сеточного генератора
модуля программы ANSYS.
Течения жидкости моделировались в рамках k-e модели уравнений в модуле программы
ANSYS.
Исходные данные и Начальные условия:
Информация по исходным данным и начальным условия закрыта Заказчиком
проекта.
Описание процесса.
В проточную часть устройства, с постоянной скоростью технической воды, через
сопловые устройства, подаются растворы кислоты и щелочи. В воде происходит
смешение растворов с протеканием экзотермических реакций.
Необходимо определить степень полноты реакций при заданных расходах кислых
и щелочных растворов, водородный показатель pH продуктов реакций.
Уравненияхимическихреакций.
Щелочной раствор содержит воду и гидроокись натрий. В щелочном растворе
предполагается, что молекулы гидроокиси натрия полностью диссоциируют в ионы
согласно следующей реакции:
Кислый раствор содержит водную составляющую и серную кислоту. В кислом
растворе предполагается, что молекулы серной кислоты полностью диссоциируют в
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
ионы согласно следующей реакции:
ионы Na+ и ионы SO42- реагируют, формируя сульфат натрия и воду согласно реакции:
Реакция протекает при двух молекулах ионов гидроокиси натрия и одной молекулы
ионов серной кислоты. Стехиометрическое отношение для сухих щелочных и
кислотных молекул 2 к 1.
Вычисления позволяют смоделировать щелочные кислые реакции, и измерить
водородный показатель pH. Реакции моделируются при стехиометрическом отношении
массовых долей между щелочным и кислым растворами, в пределах полной реакции
всех (диссоциированных) щелочных и кислотных молекул.
Реакция и скорость реакции смоделированы, используя основную формулу:
Расчёт pH.
Водородный показатель pH (или кислотность) смеси является функцией объёмной
концентрации ионов H+. Последний может быть рассчитан используя два следующих
уравнения, которые основаны на сохранении условий равновесия, соответственно:
(где KW константа для самоионизации воды (1.0E-14 kmol*m-6))
Одно уравнение вставляется в другое, чтобы получить следующее уравнение:
которое преобразуется в стандартную квадратную форму, как:
Квадратное уравнение решается для H+
b  max[(b 2  4ac ), 0]
[H ] 
, где a=1, b  [Y 2 ]  2[ X 2 ] , и c   KW .
2a

РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На контурном графике показана рабочая область устройства, где протекают
химические реакции.
На контурном графике показано развитие событий по давлению в устройстве. По
шкале градации цвета можно определить (левая сторона рисунка) значения давлений в
каждой точке, по отношению к давлению в сопловых камерах.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На контурном графике показано развитие событий по температуре в устройстве.
Температура задавалась по шкале К (0С = 273К). На рисунке отслеживается нарастание
температуры за счёт экзотермической реакции.
На контурном графике показано развитие событий по скорости потока. За счёт
повышенного давления растворов, и повышенной скоростью выхода жидкости через
сопла, в устройстве возникают эжекционные процессы.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На контурном графике показано развитие событий в устройстве по водородному
показателю pH. На вход проточной части поступает техническая вода, в первую
сопловую камеру (по ходу) поступает кислый раствор, во вторую сопловую камеру
поступает щелочной раствор. По шкале градации цвета можно отследить pH в каждой
точке потока.
На контурном графике показано развитие событий по массовому фракционному
составу технической воды. Если указанные значения на шкале градации цвета
умножить на 100, мы получим в процентном отношении количество воды в каждой
точке потока.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На контурном графике показано развитие событий по массовому фракционному
составу кислого раствора. Если указанные значения на шкале градации цвета умножить
на 100, мы получим в процентном отношении количество кислого раствора в каждой
точке потока.
На контурном графике показано развитие событий по массовому фракционному
составу щелочного раствора. Если указанные значения на шкале градации цвета
умножить на 100, мы получим в процентном отношении количество щелочного
раствора в каждой точке потока.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На контурном графике показано развитие событий по массовому фракционному
составу продуктов химической реакции. Если указанные значения на шкале градации
цвета умножить на 100, мы получим в процентном отношении количество продуктов
химической реакции в каждой точке потока.
На графике показано развитие событий по скорости потоков для всех жидкостей с
помощью сплайн-линий. По шкале градации цвета можно найти значение скорости в
каждой точке устройства.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На графике показано развитие событий по водородному показателю pH. Показан
объёмный вид pH в устройстве.
На графике показано развитие событий по температуре. Показан объёмный вид
представления температуры в устройстве.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
На графике показано развитие событий по скорости потока. Показан объёмный вид
представления скорости в устройстве.
На графике показано развитие событий по температуре в устройстве. Показана
температура пристеночного слоя потока.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru
ООО«КПМ»
Выводы:
Анализ работы струйного смесителя в динамическом режиме показал, что Заказчиком
расходные характеристики кислых и щелочных растворов выбраны не правильно, не
соблюдается стехиометрическое отношение химической реакции. Среда на выходе
кислая, что показывает водородный показатель pH.
РФ, Челябинская обл., г. Озерск, тел.: (35130) 9-38-62, сайт: www.jet2008.narod.ru