Моделирование кинетики ароматизации легких алканов

Министерство образования  и науки Российской Федерации

 

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

 

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

 

 

Институт Природных Ресурсов Кафедра Химической технологии топлива и Химической кибернетики Математическое моделирование  МКХ, МОП

 

 
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1

МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ АРОМАТИЗАЦИИ ЛЕГКИХ АЛКАНОВ

 

Исполнитель:	___________________ (подпись) ___________________	Уильям Тенто Крагновски
Ст-т гр. 2КМ21	(дата)
Руководитель:	___________________ (подпись) ___________________	Ушева Н. В.
	(дата)

 

 

 
Томск   2013

 

Цель работы

 

Целью данной лабораторной работы является освоение методов построения кинетических моделей сложных гетерогенных процессов, получение навыков исследования химического процесса с применением  метода математического моделирования.

При выполнении лабораторной работы студенты должны решить следующие  задачи:

1. Построить кинетическую модель процесса циклизации легких алканов.
2. Обосновать механизм превращения легких алканов на цеолитных катализаторах.
3. Провести корректировку кинетических параметры модели.
4. Проверить модель на адекватность.
5. Провести исследование влияния технологических параметров на выход продуктов процесса ароматизации легких алканов.

 

 

Исходные данные

Предоставлены экспериментальные  данные превращения смеси пропана  и бутана в соотношении  в процессе циклизации при .

Таблица 1

Исходные данные

Контроль концентраций

 

 

Ход работы

В методическом пособии предложена следующая схема реакций (Таблица 2), по которой составлена  кинетическая модель и программа. Код программы находится в Приложении А. Номера в Таблице 2 указывают индексы скоростей в программе. Четные номера, включая ноль – прямые реакции, нечетные – обратные.

Таблица 2.

Кинетическая модель

 

Расписаны скорости и кинетическая модель, которые приняли следующий  вид (Вырезка из кода программы):

w(0)=k(0)*c(c3h8)

w(1)=k(1)*c(c3h6)*c(h2)

w(2)=k(2)*c(c2h4)*c(c2h4)

w(3)=k(3)*c(c4h8)

w(4)=k(4)*c(c2h4)*c(c3h6)

w(5)=k(5)*c(c5h10)

w(6)=k(6)*c(c3h8)

w(8)=k(8)*c(c4h10)

w(10)=k(10)*c(c4h10)

w(12)=k(12)*c(c3h6)*c(c3h6)

w(14)=k(14)*c(c3h6)*c(c4h8)

w(16)=k(16)*c(c4h8)*c(c4h8)

w(18)=k(18)*c(c4h8)*c(c5h10)

w(20)=k(20)*c(c6h6)*c(c4h8)

w(22)=k(22)*c(c7h8)*c(c3h6)

w(24)=k(24)*c(c7h8)*c(c4h8)

w(26)=k(26)*c(c8h10)*c(c3h6)

w(28)=k(28)*c(c9h12)*c(c2h4)

w(30)=k(30)*c(c2h4)*c(c4h8)

w(32)=k(32)*c(c2h4)*c(c5h10)

w(34)=k(34)*c(c3h6)*c(c5h10)

w(36)=k(36)*c(c2h4)*c(h2)

w(37)=k(37)*c(c2h6)

w(38)=k(38)*c(c4h8)*c(h2)

w(39)=k(39)*c(c4h10)

w(40)=k(40)*c(c5h10)*c(h2)

w(41)=k(41)*c(c5h12)

w(44)=k(44)*c(c3h6)*c(c3h6)

w(45)=k(45)*c(c2h4)*c(c4h8)

w(46)=k(46)*c(c2h6)*c(c4h10)

w(48)=k(48)*c(c4h8)*c(c4h8)

w(50)=k(50)*c(c4h10)*c(c4h10)

w(52)=k(52)*c(c7h8)*c(c7h8)

w(54)=k(54)*c(c8h10)*c(c8h10)

 

res[h2]=w(0)-w(1)+3*(w(12)+w(14)+w(16)+w(18)+w(20)+w(22)+w(24)+w(26)+w(28)+w(30)+w(32)+w(34))-w(36)+w(37)-w(38)+w(39)-w(40)+w(41)

res[ch4]=w(6)+w(10)

res[c2h4]=-2*w(2)+2*w(3)-w(4)+w(5)+w(6)+w(8)-w(28)-w(30)-w(32)-w(36)+w(37)+w(44)-w(45)

res[c2h6]=w(8)+w(36)-w(37)-w(46)

res[c3h6]=-w(1)+w(5)+w(10)-2*w(12)-w(14)-w(22)-w(26)-w(34)-2*w(44)+w(48)

res[c3h8]=-w(0)-w(6)+2*w(46)+w(50)

res[c4h8]=w(2)-w(3)-w(14)-2*w(16)-w(18)-w(20)-w(24)-w(30)-w(38)+w(39)+w(44)-w(45)-2*w(48)

res[c4h10]=-w(8)-w(10)+w(38)-w(39)-w(46)-2*w(50)

res[c5h10]=-w(5)-w(18)-w(32)-w(34)-w(40)+w(41)+w(48)

res[c5h12]=w(40)-w(41)+w(50)

res[c6h6]=w(12)-w(20)+w(30)+w(52)

res[c7h8]=w(14)-w(22)-w(24)+w(32)-2*w(52)+w(54)

res[c8h10]=w(16)-w(26)+w(34)+w(52)-2*w(54)

res[c9h12]=w(18)-w(28)+w(54)

res[c10h8]=w(20)+w(22)

res[c11h10]=w(24)+w(26)+w(28)

 

Предложенная кинетическая модель без изменений реализована  в виде программы на языке BASIC, интерфейс которой приведен на Рисунке 1.

Рисунок 1. Интерфейс программы

Расчет концентраций производился методом Рунге-Кутты. Результаты расчетов представлены на Рисунках 2 и 3.

 

Рисунок 2. Изменение концентраций во времени для Водорода и УВ до бутана.

Рисунок 3. Изменение концентраций во времени для УВ от до .

 

Сравним экспериментальные  и расчетные данные на рисунках 4 и 5.

Рисунок 4. Сравнение экспериментальных  и расчетных данных 

Рисунок 5. Сравнение экспериментальных  и расчетных данных  

Расчеты критерия Фишера

Показано значительное несоответствие между результатами расчетов и экспериментальными данными

	F (19)
Н2	8668
СН4	5644
С2Н6+С2Н4	569
С3Н8+С3Н6	1946
С4Н8	92
С4Н10	1558
С6Н6	16
С7Н8	85
С8Н10	179
С9Н12	108
С10Н8	8
С11Н10	178

 

Выводы

Не найдены значимые соответствия между результатами эксперимента и  расчетов, которые говорили бы в  пользу адекватности предложенной кинетической модели. В первую очередь следует отметить, что константы скоростей, рассчитанные по уравнению Аррениуса, не включают в себя влияние диффузии и законов гидродинамики, присутствующих в реальном процессе. Возможно, в данном случае необходим иной подход к построению математического описания процесса циклизации лёгких алканов.