Способы классификации процессов и химических реакторов как объектов моделирования.

Химический реактор – основной аппарат любого химического процесса:

1) он определяет экономическую эффективность всего технологического процесса

2) определяет конструктивные особенности процесса

3) определяет технические показатели

4) определяет эксплуатационные характеристики.

Какие задачи решает теория химических реакторов?

1) разработка методов расчета реакторов

2) разработка принципов математического моделирования

3) оптимизация различных типов реакторов.

На конструкцию реактора влияет:

- фазовое состояние системы

- тепловые условия

- кинетические особенности

- уровень давления

- характер воздействия реакционной среды на материал аппарата (коррозионные особенности).

Требования к реакторам:

1) обеспечение оптимального времени пребывания

2) создание наилучшего контакта реагирующих веществ

3) обеспечение оптимальной температуры

4) механическая и коррозионная стойкость

5) удобство обслуживания, монтажа и ремонта, малый вес, малая стоимость.

Классификация химических реакторов.

1) по гидродинамической обстановке:

- реакторы смешения – емкостные аппараты с перемешиванием механической мешалкой или циркуляционным насосом;

- реакторы вытеснения – трубчатые аппараты, имеющие вид удлиненного канала. В трубчатых реакторах перемешивание носит локальный характер и вызывается неравномерностью распределения скорости потока и завихрениями.

Различают идеальные и реальные реакторы. Реальные реакторы приближаются к модели идеального вытеснения или идеального смешения.

1) по фазовому составу:

- гетерогенные (газожидкостные, в системах г-тв, ж-тв)

- гомогенные (аппараты для газофазных и жидкофазных реакций)

2) условие теплообмена:

- изотермические (вследствие теплообмена с окр. средой в реакторе обеспечивается постоянство температуры)

- адиабатические (отсутствие теплообмена с окр. средой, вся выделяющаяся теплота идет на нагрев или охлаждение реакционной смеси)

- с промежуточным тепловым режимом (тепловой эффект химической реакции частично компенсируется теплообменом с окр. средой, а частично вызывает изменение температуры реакционной смеси).

3) способ подвода реагентов:

- периодический

- непрерывный

4) конструктивные особенности:

- емкостной

- трубчатый

- каскад

Вводится понятие идеальных потоков.

1) они характеризуются ясностью физической картины

2) простота математического описания

3) удобство анализа протекания процесса

Идеальные потоки:

1) поток идеального вытеснения

-равномерность движения

U=const (скорость испарения)

τ=idem (постоянна)

-фронт потока движется как твердый поршень

2) поток идеального смешения

- равномерность перемешивания

- постоянство полей Ci, Т, Р

С=const

T=const

Особенности идеальных потоков.

1) они не содержат параметров, отражающих структуру потока

2) единственный параметр потока – время пребывания

Таким образом все потоки идеального смешения подобны и все потоки идеального вытеснения подобны.

Моделирование – метод изучения различных объектов, при котором исследования проводят на модели, а результаты количественно распространяют на оригинал.

Математическая модель – упрощенное изображение процесса в реакторе, которое сохраняет наиболее существенные свойства реального объекта и передает их в математической форме.

Состав упрощенной математической модели.

Математическая модель включает:

- уравнение материального баланса

- уравнение теплового баланса

- кинетическое уравнение

- уравнение тепло- массообмена

- уравнение гидродинамики потоков.

1) Модель должна быть проще реального объекта, наглядно и отчетливо передавать все качественные стороны интересующего нас явления.

2) Модель должна быть достаточно полной и подробной, точно передавать не только качественные, но и количественные закономерности явления.

Облегчить эту сложную задачу помогают общие принципы использования системного подхода к химическим реакторам и химическим процессам. Химический реактор рассматривают как сложную систему, т.е. множество элементов, находящихся в определенных отношениях друг с другом и образующих целостность, единство. Его суть состоит в том, что сложная система рассматривается как совокупность подсистем, связанных между собой. Подсистемы, находящиеся на более высокой ступени иерархии, выполняют все функции подсистемы, принадлежащей более низкой ступени иерархии.

Система -это объективное единство закономерно связанных друг с другом предметов, явлений и знаний.

Особенности системы:

1) свойства отдельных элементов важны в совокупности;

2) система функционирует во взаимодействии со внешней средой;

3) наличие определенной организации (структуры);

4) существование интегративных свойств, присущих системе в целом, но не свойственны ни одному из элементов.

Системный анализ используется для управления системами.

Этапы системного анализа:

1) оценка структуры системы;

2) обеспечение безопасности функционирования системы;

3) анализ работы и прогнозирование развития системы;

4) решение системных задач с использованием иерархической зависимости.

Нестандартное (системное) мышление.

1) выбор цели;

2) разработка плана действий;

3) рассмотрение альтернативных вариантов;

4) выбор оптимального решения

Модели. Классификация моделей. ХТС.

ХТС-химико-технологическая система

Аналитические модели.

Эмпирическая математическая модель – модель «черного ящика». Она получена в результате эксперимента при изменении входов, внесении возмущений и анализе выходов.

Достоинства: простота, дешевизна.

Недостатки: малая надежность при экстраполяции.

Структурные математические модели – отражают структуру объекта, дают анализ всех его элементов и их взаимодействие.

Структурно-математическая модель – это схема процесса, его мысленная модель с представлением о механизме процесса, характере движения потоков и процессов переноса тепла и вещества.

Достоинства: надежность и адекватность.

недостатки: сложность, высокая стоимость.

Следовательно математическая модель – система уравнений, неравенств, алгоритмов, графиков, таблиц и др. математических структур, которые описывают оригинал.

Требования к модели:

1) соответствие реальному объекту, т.е. реалистичность;

2) возможность оптимизации;

3) экономичность.

Хорошая математическая модель позволяет: 1) оптимизировать, стабилизировать и проводить координацию технологических режимов и материальных потоков; 2) позволяет проводить анализ и управление в различных производственных ситуациях.

Математическая модель ХТС.

P=R+S+G+M

R-вектор режимных параметров;

P-вектор состояния ХТС;

S-вектор состояния оборудования

G-вектор энергетических потоков;

M-вектор материальных потоков.

Значение математического моделирования.

- позволяет проводить изучение физико-химических процессов;

- позволяет проводить эксперименты с исключением воздействия случайных факторов;

- позволяет изучить различные варианты решений и выбрать оптимальный.

Уровни химического процесса,протекающего в реакторе(в порядке возрастания ступеней иерархии):

Молекулярный уровень-молекулярное взаимодействие на расстояниях порядка размеров молекул,определяемое прежде всего закономерностями хим.кинетики.

Уровень малого объема-некоторый элемент реакционного объема макроскопического размера(сфера или цилинлр с попер.сечением в несколько кв мм)

Уровень рабочей зоны аппарата-статистическая совокупность изученных на предыдущем уровне элементов малого объема(напр.слой катализатора)

Уровень аппарата-конфигурация,взаимная связь и взаимное расположение рабочих зон аппарата(напр.несколько слоев катклизатора,разделенных теплообменниками,в многослойном каталичтическом реакторе)

Протекающий в реакторе химический процесс представляет собой единство химических реакций и процессов переноса(тепло-,масопереноса и переноса импульса).

Химкад.