ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Уравнения локальной кинетики для основных случаев химических превращений, протекающих в реакторах нейрерывного действия из "Химические реакторы как объекты математического моделирования" Как уже указывалось, математическая модель реакторного химического процесса должна включать в себя уравнения химической кинетики, гидродинамики, распределения температурных полей, материальных и тепловых балансов и т. д. Однако создание таких обобщенных моделей часто осложняется рядом обстоятельств. [c.18] Чтобы дополнительно конкретизировать вопрос о том, почему для масштабирования, оптимизации аппаратурного оформления и автоматизации нужно располагать относительно точной математической моделью, укажем, что реальный реакторный процесс характеризуется не только установившимся состоянием, но и переходным, которое наступает при возмущениях в материальных и тепловых потоках. Эти возмущения могут быть связаны с качественными или количественными изменениями потоков, а также с регулированием процесса. Для установления взаимосвязи между возмущениями и величинами изменения параметров (которые иногда выходят за допустимые пределы, вызывая нарушение процесса) нельзя пользоваться приближенными уравнениями. [c.19] Следует также указать, что изменение параметров в переходном процессе после возникшего возмущения как по своему значению, так и во времени может быть самым разнообразным и зависит от вида возмущения, характера процесса, его кинетики и аппаратурно-технологического оформления. [c.19] Из сказанного следует, что требования к созданию математических моделей для выбора, с одной стороны, оптимального технологического режима процесса, а с другой стороны, для масштабирования, оптимизации аппаратурного оформления и автоматизации различны между собой. [c.20] Оптимальный технологический режим процесса необходимо выбирать путем исследования математической модели с учетом технико-экономических и конъюктурных показателей. Основу такой модели должны составлять данные о химической кинетике процесса, изученной в лабораторных условиях на основании специально поставленных экспериментальных работ, но в широком диапазоне изменения технологических параметров. Только в этом случае можно обоснованно выбрать оптимальные соотношения исходных компонентов и степень их превращения в целевой продукт установить необходимость проведения процесса под давлением или с рециркуляцией, применения разбавителей, в частности, по соображениям взрывобезопасности выбрать оптимальный температурный режим и т. д. [c.20] Для описанных целей кинетику процесса исследуют в соответствии с известными кинетическими зависимостями и указаниями, которые даются в обширной литературе по вопросам кинетики и катализа выполнение таких работ должно быть обязательным и являться предметом изучения специалистами в этой области. [c.20] Если при создании нового химического процесса его кинетика в объеме, необходимом для выявления оптимального технологического режима процесса, неизвестна, то на основании лабораторных исследований пользуются обычно эмпирическим методом подбора некоторого режима, который рассматривается как приемлемый для промышленного внедрения. Такое решение оправдано только тогда, когда работы по изучению кинетики в нужном объеме сложны и сдерживают промышленное внедрение процесса. Однако даже в этом случае работы по изучению кинетики, должны проводиться, так как после их завершения можно будет оптимизировать принятый технологический режим, а возможно даже усовершенствовать процесс коренным образом. [c.21] Наряду с изложенным следует указать, что задачу выявления закономерностей протекания химического процесса для масштабирования, оптимизации аппаратурного оформления и автоматизации можно значительно упростить и приложение для этих целей математических методов сделать более доступным, если кинетику изучать применительно к ограниченной (локальной) области изменения технологических параметров. [c.21] Дело в том, что обычно постановке вопроса о масштабировании и автоматизации того или иного химического процесса всегда предшествует выполнение экспериментальных работ, на основании которых выявляют и рекомендуют технологический режим. Другими словами, выбирают давление, температуру, исходные концентрации реагирующих веществ и степень их превращения устанавливают, необходимо ли проводить процесс с применением катализатора или без него и наконец в каком аппарате (с перемешиванием в реакционном объеме или без перемешивания в направлении потока). Выбранный режим обусловлен регламентом, которым оговариваются допустимые отклонения параметров от заданного режима. Таким образом, как-бы заранее задается ограниченная (локальная) область, в которой должен протекать процесс. В рассматриваемом случае совершенно не обязательно знать кинетику для широкого диапазона изменения параметров, что в значительной степени облегчает получение необходимых кинетических данных для составления математического описания процессов. [c.21] Чтобы математическое описание в объеме локальной кинетики достаточно точно отражало реальные условия протекания процесса, рекомендуется его базировать на экспериментальных данных, которые должны быть получены на модели реактора или на реакторе действуюш его производства, и обработаны на основе обобщенных закономерностей химической кинетики с учетом аппаратурного оформления процесса. [c.22] Уравнения гидродинамики и распределения температурных полей. Другим серьезным затруднением использования обобщенной математической модели является наличие в ее составе уравнений, которые должны отражать гидродинамику процесса, а также распределение температурных полей, поскольку вывод этих уравнений представляет собой в большинстве случаев весьма сложную задачу. [c.22] Чтобы избежать включения указанных уравнений в состав математической модели, рекомендуется в качестве модели реактора принимать аппарат минимальной производительности, при габаритных размерах которого еще можно соблюдать те же гидродинамические условия и распределение температурных полей, что и для реактора промышленных размеров (см. главу VI). В рассматриваемом случае создание математической модели становится вполне реальным, а ее использование для перехода от габаритов модели к промышленному реактору, т. е. для масштабирования — достаточно надежным. [c.22] Изложенный подход к решению задачи значительно упрощает математическое описание и моделирование реакторного химического процесса и делает широко доступным использование математических методов для масштабирования и автоматизации. Это в свою очередь позволяет также активно влиять на оптимизацию аппаратурно-технологического оформления процесса благодаря автоматизации его управления. [c.22] В тех случаях, когда кинетика процесса уже известна и в состав математической модели вводят уравнение кинетики, изученной на основе лабораторных исследований, то до использования такой модели для масштабирования и автоматизации ее нужно апробировать, а при необходимости —. скорректировать на действующей модели промышленного реактора. [c.22] Располагая математическим описанием процесса в локальной области для действующего производства, можно решать и задачу его технологической оптимизации в выбранной локальной области. Если при этом будет установлено, что оптимум в данной области находится на ее границе, то дальнейший поиск оптимума должен быть продолжен в области, прилегающей к этой границе. Пользуясь таким приемом для вновь создаваемого производства, можно в более короткие сроки и более обоснованно, чем при чисто эмпирическом подходе (см. стр. 21), выбрать режим, который следует рекомендовать для промышленного внедрения как оптимальный на данном уровне знаний о Ьроцессе. [c.23] В литературе по физической химии обычно рассматривают случаи химических превращений (необратимые, обратимые, параллельные и последовательные реакции) применительно к гомогенным процессам, протекающим во времени, т. е. периодически. [c.23] При этом предполагают, что объем реакционной смеси во все время процесса остается постоянным. [c.23] Для указанных случаев уравнения кинетики представлены зависимостями (1,4), (1,7), (1,11) — (1,13). В этих уравнениях скорость реакции определяется числом молей вещества, реагирующего в единицу времени концентрация исчисляется в молях на единицу объема, а размерность константы скорости принимается в зависимости от порядка реакции (1,5). [c.23] Последний выражают во всех случаях через количество и условную плотность реакционной смеси, находящейся в аппарате, принимая эту плотность равной, например, плотности смеси у в начале реакции. [c.24] Размерность константы скорости к, как следует из уравнения (11,2), не зависит от порядка реакции и при у, выраженной в кг/м , будет [кг м ч ]. По физическому смыслу константа скорости представляет собой скорость химической реакции при условии, что концентрация реагирующего вещества постоянна и равна единице. [c.25] Вернуться к основной статье