МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СУЛЬФИРОВАНИЯ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ДОБАВОК ДЛЯ БЕТОНА

​SIMULATION OF THE PROCESS OF SULFING IN THE PRODUCTION OF ADDITIVES FOR CONCRETE

Maxim Patsev

graduate student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Alexander Shitikov

graduate student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

Vladislav Merkulov

graduate student, Department of Information Processes and Management, Tambov State Technical University,

Russia, Tambov

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается математическое описание процессов, протекающих в сульфураторе при производстве химических добавок для бетона.

ABSTRACT

The article deals with the mathematical description of the processes occurring in the sulphurizer in the production of chemical additives for concrete.

Ключевые слова: химические добавки для бетона, сульфуратор, математическая модель.

Keywords: chemical additives for concrete, sulphurizer, mathematical model.

Пластифицирующие-водоредуцирующие химические добавки для бетона получают при многостадийном органическом синтезе, и представляют собой смесь натриевых солей полиметиленнафталинсульфокислот с высоким содержанием высокомолекулярных фракций [1]. Спрос на данные добавки стабильно высок, что связано со значительными объемами строительства.

Одной из лимитирующих стадий, при производстве добавок для бетона, является процесс сульфирования, протекающий в сульфураторе. Сульфуратор представляет собой реактор с мешалкой и рубашкой.

Задачу исследования процесса невозможно решить без использования методов математического моделирования.

При составлении математической модели процесса сульфирования принимаются следующие допущения [2]:

1. Реактор и рубашка с теплоносителем рассматриваются как объекты идеального смешения;
2. Теплофизические параметры веществ постоянны;
3. Тепловой емкостью рубашки пренебрегаем.

На стадии сульфирования протекает следующая химическая реакция:

.

Введем обозначения компонентов: нафталин – 1; серная кислота – 2; сульфосоединение – 3; вода – 4.

После анализа химических превращений в аппарате составим уравнения динамических режимов исследуемого объекта.

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).

Начальные условия для дифференциальных уравнений:

, , , ,

где  - 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 и греющего пара:

,  ,

где ,  - расход охлаждающей воды на входе и выходе из стаканов, кг/с; ,  - расход пара на входе и конденсата на выходе из рубашки реактора, 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;  - 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) Энтальпия греющего пара зависит от его давления в магистрали:

,

где  - давление пара в магистрали, Па.

Таким образом, математическое описание динамики сульфуратора представляет собой систему алгебраических и дифференциальных уравнений, с соответствующими начальными условиями и может быть решено известными численными методами [3].

Список литературы:

1. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона: монография. М.: Казанский Государственный архитектурно-строительный университет: Издательство «Палеотип», 2006. - 244 с.
2. Данилина Ж.С., Третьяков А.А. Математическое моделирование и имитационное исследование процесса сульфирования при производстве сульфаминовой кислоты // В.И. Вернадский: устойчивое развитие регионов. Материалы Международной научно-практической конф. 2016. С. 174-180.
3. Mathematical modeling and adaptive algorithm for calculating the chemisorption process in regenerative cartridge / G.R. Kamaletdinova, M.P. Onevsky, S.A. Skvortsov, A.A. Tretyakov // Journal of Engineering and Applied Sciences. 2017. Т. 12. № 12. С. 3233-3238.