В-34. Задача моделирования химических реакторов

В-33. Участок трубопровода как объект регулирования.

Рассмотрим в качестве объекта участок трубопровода между диафрагмой и регулирующим клапаном

G₁, G₂ – массовые расходы на входе и выходе (кг/с)

G_m – масса жидкости между диафрагмой и клапаном

p₁ – давление до диафрагмы

p₂ – давления после диафрагмы

m – степень открытия клапана

В установившемся режиме

В неустановившемся режиме

Т. к. жидкость несжимаемая, то Þ

В окрестности установившегося режима

(1)

В окрестности установившегося режима

С учетом полученных выражений

Полученное выражение подставим в (1)

Учитывая, что полученное выражение примет вид

В полученном выражении приведем подобные слагаемые

;

;

Умножим полученное выражение на (p_1s - p_s)

С учетом обозначений, преобразуя по Лапласу, получим

В-34. Задача моделирования химических реакторов

Основными определяющими процессами в ХТ являются процессы химического превращения, осуществляемые в химических реакторах

Сложность расчетов при проектировании химических реакторов и САР обусловлены следующим:

1. сложность механизмов химических превращений, а Þ и сложность кинематических зависимостей

2. дополнительный перенос массы и тепла, как внутри фаз, так и между фазами

3. гидродинамическая обстановка, определяемая в первую очередь структурой потоков фаз в аппарате (реакторе)

4. взаимодействие с окружающей средой

Для системы Г-Ж-Т (катализатор) модно выделить следующие этапы исследования химических реакторов

1. установление механизма и кинетики сложной ХР

2. изучение процесса на твердой границе

3. изучение процесса в системе Г-Ж

4. моделирование реактора с многофазным потоком

-1-

Механизм сложной ХР – последовательность элементарных стадий химического взаимодействия, обеспечивающих превращение исходных компонентов в продукты реакции

Составляются механизмы реакции, выводятся кинетические модели для каждого из механизмов, делаются оценки параметров моделей и на основании экспериментальных данных и теоретических предпосылок осуществляется дискриминация выдвинутых гипотез о механизме реакции. При этом оставляют один наиболее вероятный механизм и соответствующую ему кинетическую модель. Ставятся кинематические эксперименты

-2-

ХР на зерне катализатора сопровождается процессами переноса массы и тепла между потоком и внешней поверхностью катализатора и внутри пористой гранулы

Диффузионные эффекты, возникающие при этом, характеризуются фактором эффективности

R_набл – скорость процесса с учетом диффузионных эффектов

R_кинет – скорость процесса в кинетической области, т. е. на поверхности гранулы

Фактор эффективности учитывает влияние диффузионных процессов на скорость ХР

Составляется математическое описание процесса на зерне катализатора (при этом выбирается модель структуры пористой гранулы), рассчитываются параметры ММ гранулы, выбираются численные методы ее решения

В результате решения системы уравнений ММ определяются возможные перепады температуры и концентраций компонентов между потоком и внешней поверхностью гранулы и внутри нее как функции переменных процессов, а затем определяется зависимость фактора эффективности от переменных процессов

η = f(переменных процессов)

Моделирование процесса на зерне катализатора позволяет выбрать оптимальную геометрию гранулы, ее размеры, пористость, оптимальное расположение на поверхности гранулы и пористость активного слоя, указать пути интенсификации процесса

-3-

Лимитирующая стадия часто протекает на границе раздела фаз Г-Ж Þ изучают процессы, отвечающие этой стадии. Для этого выбирается модель процесса, рассчитываются ее параметры, выбираются численные методы ее решения и производятся расчеты по модели

В результате расчета определяются нестационарные профили компонентов в газе по слою катализатора, определяется степень влияния лимитирующей стадии на химическое превращение

-4-

Составляется ММ реактора с учетом гидродинамики и количества фаз, гетерогенная или квазигомогенная модель реактора, записываются балансовые уравнения вещества и тепла, рассчитываются параметры модели, выбираются численные методы, поверяется адекватность модели по экспериментальным данным, производятся расчеты

Например, для действующего реактора решаются задачи оптимизации режима или СУ, для проектируемого – определяются конструктивные параметры (синтез СУ)