ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Слинько. Моделирование химических реакторов из "Моделирование и оптимизация каталитических процессов" Одной из важнейших проблем развития химической промышленности является проблема управления химическими процессами. Управление химическими превращениями и процессом в целом определяется характером и закономерностями физико-химических и физических процессов, происходящих в химических реакторах. Поэтому для создания теории и методов управления химическими процессами необходимо познание основных законов их протекания и сознательное использование найденных закономерностей. [c.3] Для управления химическими процессами необходимо владеть, с одной стороны, теорией катализа, помогающей предвидеть каталитическое действие и выбрать наилучший химический состав катализатора, а с другой,— теорией химических реакторов, позволяющей определить влияние всех физических факторов на скорость химических превращений, дать методы масштабного переноса результатов лабораторных исследований и определения оптимальных условий. [c.3] В настоящей статье рассматриваются вопросы теории химических реакторов. [c.3] Законы элементарных актов химических превращений не зависят от масштабов эксперимента. Казалось бы, это дает основание непосредственно переносить результаты измерений в лабораторных условиях на любые установки. Однако химические превращения всегда сопровождаются процессами переноса реагирующих веществ и продуктов реакции с одновременным выделением или поглощением тепла. На 1 моль превращенного вещества выделяются десятки тысяч калорий. Физические процессы сильно зависят от размеров и структуры зерен катализатора, типа и размеров реакторов. Поэтому в реакционных аппаратах устанавливается специфическое для данного масштаба распределение концентраций и температур. Вследствие этого наблюдаемые результаты по скорости и избирательности химических процессов сильно зависят от масштабов реактора. [c.3] Теория подобия оказывается неприменимой к химическим реакторам, так как гидродинамические, тепловые и химические условия подобия не совместны [1]. При изменении масштабов изменяются гидродинамический режим, а также режим процессов массо- и теплопередачи, влияющих на химические превращения. Нельзя обеспечить в большинстве случаев условия, при которых физические факторы оказывают одинаковое влияние на скорость химической реакции в реакторах разного масштаба.. [c.3] Поэтому физическое моделирование реактора, при котором мы меняем только масштабы и рассматриваем процесс едино в совокупности всех его отдельных стадий, в большинстве случаев также не может быть использовано. [c.4] Основным методом моделирования химических реакторов является математическое моделирование. [c.4] Под математическим моделированием мы понимаем изучение химического процесса аналитическими методами, при помощи непрерывной и дискретной вычислительной техники. [c.4] Рассмотрим наиболее важные моменты этих этапов. [c.4] Математическое описание каталитического процесса состоит из уравнений материального, теплового балансов и уравнения движения вязкой жидкости. Задаются также геометрические условия, температуры и концентрации реагирующих веществ на границах реактора. [c.4] В большинстве задач по расчету реактора достаточно уравнений для стационарных состояний. Для расчета переходных режимов необходимо знание уравнений, описывающих динамику процесса. Для процессов с быстро изменяющейся активностью катализатора необходимо знать, кроме зависимости скорости реакции от температуры и концентрации реагирующих веществ, зависимость ее изменения от времени и условий проведения процесса. [c.4] Математическое описание действующего аппарата составляется также на основе физико-химических закономерностей и эксплуатационных данных реактора, уточняющих значение постоянных величин. [c.6] При стационарном состоянии реактора все параметры, характеризующие его работу, не изменяются во времени, если отсутствуют внешние возмущения. Однако в практических условиях всегда имеются небольшие возмущения, которые вызывают изменение стационарного состояния. Поэтому необходимо заранее выяснить, какие изменения стационарного состояния могут произойти и не может ли возникнуть неустойчивость. [c.7] При заданных начальных условиях возможно существование нескольких стационарных режимов химических реакторов. Математическое моделирование позволяет определить устойчивость стационарного состояния. Реактор устойчив, если какое-либо возникшее малое отклонение постепенно исчезает после устранения возмущения, вызвавшего отклонение, и восстанавливается невозмущенное стационарное состояние. [c.7] Исходный стационарный режим неустойчив, если значение отклонений нарастает во времени. [c.7] Неустойчивость, обусловленная излишней величиной теплообмена между входными и выходными потоками, может быть устранена путем регулирования температуры газа перед слоем катализатора соответствующими байпасами. [c.9] Условие (И) не учитывает изменения скорости реакции с глубиной превращения и поэтому является излишне жестким. Однако при его помощи можно легко графическим методом определить, является ли выбранный [стационарный режим для проектируемого аппарата устойчи-Г Ым или неустойчивым, тогда как анализ стационарных режимов при помощи соотношения (14) требует применения электронных математических машин. [c.10] При возрастании начальной температуры газа, входящего в аппарат, устойчивый и неустойчивый режимы аппарата сближаются и при температуре T ornas они сливаются. При темиературе газа, входящего в аппарат, выше Готах стационарного режима не существует. Технологический режим, отвечающий температуре входящего газа Tomaxi имеет максимально возможные стационарные значения температур в слое катализатора, и при этом режиме достигается наивысшая степень превращения исходных продуктов для реакций нулевого порядка. [c.11] Для реакции ненулевого порядка первый и второй режимы также сливаются при Гошах и затем исчезают. Остается возможным только верхний стационарный режим, не имеющий в большинстве случаев практического значения. [c.11] Математическая теория оптимальных процессов Л. С. Понтрягина В. Г. Болтянского, Р. В. Гамкрелидзе и Е. Ф. Мищенко [13] в дальнейшем, по-видимому, найдет широкое применение при определении оптимальных условий и управлений химическими процессами. [c.12] Вернуться к основной статье