ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Использование вычислительной машины для разработки процесса Предварительный расчет агрегата из "Проектирование химико-технологических процессов методами системотехники" Методом последовательного приближения на аналоговой машине были подобраны наилучшие значения 2 и для схемы 1, приведенные на рис. И-10. Штриховыми линиями на рис. И-11 показано изменение состава смеси, если удвоить, оставив постоянными 2 и к . Эта операция, выполняемая аналогично для каждого коэффициента, характеризует чувствительность окончательных кривых (сплошные линии) к изменениям значений к. [c.34] Детальное экспериментальное изучение химических реакций, лежащих в основе разрабатываемого процесса, — необходимое условие для получения его надежной кинетической модели. В случае быстро протекающих реакций (время полупревращения порядка от долей секунды до нескольких минут), которые реализуются в промышленности в виде непрерывных процессов, проходящих в проточных реакторах, метод исследования кинетики в периодически действующих изотермических реакторах, кратко изложенный в этой главе, непригоден. Изучение кинетики таких реакций, к которым относятся подавляющее большинство каталитических и все газовые реакции, проводят в специальных установках проточного типа. [c.35] По принципу работы указанные установки, точнее реакторы, подразделяются на интегральные и дифференциальные (безградиентные). Интегральные реакторы представляют собой трубчатые проточные аппараты в данном случае концентрации компонентов меняются по длине реактора, и, следовательно, выходные показатели являются интегралом скоростей процесса по всем элементарным объемам аппарата. [c.35] Безградиентные реакторы — проточные аппараты полного смешения, которое обеспечивается мешалками или циркуляционными контурами. В указанных аппаратах концентрации реагентов одинаковы по всему объему. Поэтому скорость процесса определяется как количество вещества, прореагировавшего в единицу времени в единице объема реактора. [c.35] В ряде случаев интегральные реакторы конструктивно более просты и удобны в работе, чем дифференциальные реакторы, однако в целом при применении их возникают различные затруднения. В частности, экспериментальные трудности обусловлены необходимостью избежать осевого смешения и желательностью поддержания изотермического режима по всей длине интегрального реактора, что далеко не просто в случае сильно экзотермических (эндотермических) реакций. [c.35] При применении безградиентных реакторов поддерживать изотермический режим несложно, удается итйежать погрешностей в измерениях, обусловленных осевой диффузией в случае гетерогенных каталитических реакций обеспечивается возможность сильно ослабить или исключить влияние процессов диффузии в зерне катализатора. Поэтому для точного исследования кинетики процесса безградиентные реакторы, как правило, предпочтительнее. [c.36] Подбор значений кинетических констант, наилучшим образом удовлетворяющих экспериментальным данным, — задача трудная во всех тех случаях, когда реальный процесс представляет собой систему нескольких или многих параллельно и последовательно текущих реакций. К сожалению, именно эти случаи наиболее типичны для процессов органического синтеза. Безусловно, надежнее и быстрее проводить подбор констант на цифровых вычислительных машинах путем минимизации суммы квадратов отклонений опытных и расчетных данных одним из методов направленного поиска при планировании эксперимента (см. книгу В. В. Налимова стр. 159). Следует отметить, что выбор кинетической схемы и значений кинетических констант должен производиться на основе химико-математического анализа системы. — Доп. ред. [c.36] Составляя программу на основе дан ых, полученных иссле-дователями в предварительных опытах, объединенная группа решила, что для составления кинетической модели будет достаточно результатов пяти изотермических статических опытов. Эти данные были представлены на графиках изменения состава реакционной смеси во времени. Затем на основе первоначального изучения указанных данных группа системотехники установила характеристики, которые должны соблюдаться при любом предполагаемом механизме реакции, что сузило область исследования от многих возможных схем до двух наиболее вероятных. Эти схемы включают химические реакции дифференциальные уравнения, определяемые механизмом предположения относительно природы промежуточных продуктов и стехиометрические соотношения между реагентами. [c.37] Из стехнометрических соотношений выводятся, насколько возможно, данные о составе промежуточных продуктов, дополняющие каждую из схем. Во время этого анализа возникают различные противоречия и несоответствия. Выполнив подобную бумажную работу, группа системотехники обратилась в отдел химических исследований с просьбой провести решающие исследования. [c.37] Здесь R — универсальная газовая постоянная. [c.38] В тех случаях, когда такие физико-химические явления, как растворимость, массообмен и т. д., оказывают существенное влияние на кинетику, они тоже могут быть учтены подобными же методами. Дифференциальные или алгебраические уравнения, описывающие эти явления, включаются в модель, подготовленную для вычислительной машины. Таким образом, коэффициент массопередачи становится еще одной постоянной, которая должна быть определена путем сравнения машинных решений с экспериментальными данными до тех пор, пока не будет получена наилучшая сходимость. [c.38] Подобно Дж. X. Смирку после получения им от группы системотехники данных о кинетике реакции, Вы, возможно, удивитесь тому, как аналоговая машина так легко могла решить систему дифференциальных уравнений. [c.39] На рис. П1-1 показана составленная группой системотехникой блок-схема для расчета схемы 1 на аналоговой машине. Коротко рассмотрим переход от заданных уравнений реакции к схеме аналоговой машины (более подробно о применении аналоговых методов в химической кинетике см. в литературе ). [c.39] Напряжения в схемах электронных аналоговых машин общего назначения соответствуют переменным процесса. Однако в цепи аналоговой машины напряжение не должно быть больше определенных пределов, обычно 100 в, поэтому нельзя, чтобы при решении заданных уравнений напряжение превышало указанные пределы. [c.39] В общем виде указанные ограничения требуют введения масштабов для значений зависимых переменных. Устанавливается также масштаб времени так, в нашем случае машинное время течет в 36 раз быстрее натурального. [c.39] После того как масштабирование задачи закончено, составляется блок-схема (см. рис. ИМ). Обозначения составных частей схемы, использованные на этой подробной диаграмме, показаны на рис. П1-2. Здесь пред ставлены соответственно (см сверху вниз) суммирующий уси литель, интегрирующий усили тель и сервоусилитель. Блок-схе ма устанавливает порядок соеди нения элементов для получения требуемой схемы. [c.41] Выход с каждого усилителя может быть входом для других компонентов, но как можно заметить по рис. 111-1, выходы являются в конечном счете теми величинами, которые мы отыскиваем (в нашем случае — различными составами). Эти выходы — непрерывные электрические сигналы — могут описываться регистраторами X — Получаемые кривые непосредственно сравнивают с лабораторными экспериментальными данными. Это и есть те кривые, которые подбираются по наилучшей сходимости с экспериментом для доказательства предполагаемого механизма реакции (см., как это проделано в главе И). Когда кривые совпадают, настройки потенциометров, моделирующих кинетические коэффициенты, непосредственно дают значения этих коэффициентов. [c.42] Задача расчета реакций такой степени сложности вручную вообще неосуществима. Более простые системы требуют огромного количества расчетов Решение методом последовательного приближения с использованием различных кинетических коэффициентов почти всегда исключает необходимость изучения механизма реакции по стадиям вместо этого можно определить общую константу скорости. Одним из важных преимуществ системотехники является применение новых средств и методов, таких, как упомянутые здесь, для того, чтобы более внимательно исследовать основные стадии отдельных реакций в процессах, которые требуют этого. [c.42] Нашему проектировщику стало ясно, что если группа системотехники могла так быстро установить кинетические коэффициенты для такой сложной реакционной системы, то она может оказать ему большую помощь в определении наилучших условий проведения процесса. [c.42] На рис. П1-5 приведены кривые изменения состава по длине, характерные для трубчатых реакторов в изотермических условиях. Во всех случаях предполагается, что скорость жидкости равна 0,2 м сек. [c.45] Вернуться к основной статье