Моделирование химико-технологических процессов в производстве неорганических веществ учебное пособие
жүктеу/скачать 4.76 Mb. Pdf көрінісі
|
| 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКТОРОВ Химические реакции, протекающие в химическом реакторе, приводят к появлению одних и исчезновению других веществ, выделению или поглощению тепла. Возникают градиенты температур и концентраций и, как следствие, процессы переноса тепла и вещества. Поэтому в химическом реакторе имеет место сложное взаимодействие химической реакции и явления переноса тепла, вещества и импульса. Вклад этих явлений в общий процесс зависит от размера аппарата. Как правило, невозможно создать подобие полей температур и физического моделирования при анализе и разработке химических реакторов. Основной метод исследования процессов в химических реакторах, разработки и изучения химических реакторов — математическое моделирование. В химическом реакторе имеет место большое количество различных явлений и их взаимодействия. Одновременный их учет может привести к такой сложной модели, что ее нельзя будет практически использовать. Поэтому концепция выделения химических и физических составляющих должна быть развита путем системного подхода к построению модели. Он реализуется в иерархической схеме построения и структуре модели. Сначала проводится декомпозиция процесса на составляющие, различающиеся по масштабу. Закономерности явлений на каждом масштабном уровне инвариантны, т.е. не зависят от масштаба процесса в целом. Процесс на более низком масштабном уровне является одной из составляющих более высокого масштабного уровня. Поэтому математическая модель процесса в целом представляет собой синтез моделей явлений разного масштаба, имеющих место в общем процессе. Поясним сказанное. Первый масштабный уровень — химическая реакция. Ее закономерности — кинетика химического превращения — не зависят от 55 масштаба, так как скорость реакции зависит от состояния реакционной смеси и не зависит от того, как это состояние было достигнуто. Следующий масштабный уровень — элементарный объем. Его определение и содержательность зависят от типа процесса. Например, превращение в реакторе с неподвижным слоем катализатора зависит от условий обтекания зерна катализатора потоком и его состояния, независимо от того, как эти условия были сформулированы, т.е. от организации процесса в целом. Последовательность этапов разработки химического реактора определяется структурой процесса. Сначала проводится анализ процесса, выделяются его составляющие и изучаются его закономерности. При этом существенно выделить физические и химические составляющие на всех уровнях протекания. Затем проводится изучение химического процесса в элементарном объеме. Его закономерности позволяют определить теоретический оптимальный режим и выбрать тип реактора. Исследование на всех этапах проводится с использованием соответствующих математических моделей и привлечением необходимых экспериментальных данных. Эксперименты проводятся с целью получения информации об отдельных явлениях, закономерности которых необходимы для построения моделей и уничтожения особенностей процесса. В химической и смежных областях промышленности применяют различные типы реакторов, имеющие существенные различия. Множество реакторов можно классифицировать по различным признакам. В качестве таких признаков наиболее часто принимаются: фазовое состояние реагентов, характер операций питания реагентами и удаления продуктов реакции, режим движения реакционной среды, тепловой режим, конструктивные особенности. Изложенная классификация свидетельствует о том, что реальные химические реакторы существенно отличаются друг от друга и, следовательно, задача построения математических моделей таких аппаратов должна решаться в каждом конкретном случае с учетом особенностей процесса и конструктивного оформления. При этом необходимо использовать модели 56 определяющих «элементарных» процессов (например, для реакторов непрерывного действия — модели движения потоков веществ и химического превращения) и присоединить к ним уравнения, описывающие тепловой режим, изменения фазового состояния реагентов, конструктивные и другие особенности. Рассмотрим в качестве иллюстрации примеры построения математических моделей для наиболее простых химических реакторов идеального перемешивания и идеального вытеснения, в которых химические реакции протекают в изотермических, установившихся потоках газа или жидкости. жүктеу/скачать 4.76 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|