Что такое анализ химических реакторов

Слово анализ в заглавии книги характеризует наш метод. Это значит, что мы хотим разделить рассматриваемый предмет на составные части и исследовать взаимоотношения этих частей. Вслед за анализом возникают многочисленные задачи синтеза, служащие для расчета химических реакторов. Основная же наша цель — понять структуру предмета. Поскольку мы стремимся изучить поведение химических реакторов (а они создаются для проведения химических реакций), нам следует начать с установления общих принципов описания химических реакций. Здесь, на границе нашей области, лежит соседняя область чистой химической кинетики. Предметом химической кинетики является исследование механизма химических реакций на молекулярном уровне. Для наших целей достаточно взять только результаты кинетических исследований. Наш подход к собственно химической реакции будет чисто феноменологическим. При таком подходе основная роль отводится стехиометрии и термостатике, так как все возможные изменения состояния системы обусловлены ограничениями, налагаемыми стехиометрией и термодина- [c.7]

Что такое анализ химических реакторов [c.7]

Проточные реакторы. Большинство современных промышленных процессов проводится в непрерывно действующих проточных реакторах. Такой реактор представляет собой открытую систему, взаимодействующую с внешней средой в аппарат непрерывно подаются исходные вещества и отводятся продукты реакции и выделяющееся тепло. На показатели работы реактора влияют, наряду с химической кинетикой и макрокинетикой процесса, новые, специфические факторы конвективный поток реагентов и теплообмен с внешней средой. Расчет и теоретический анализ работы реактора с учетом взаимодействия и взаимного влияния всех этих факторов — далеко не простое дело. Число параметров и переменных, необходимых для точного расчета, в практически важных случаях может быть чрезвычайно большим и превосходить возможности даже самых быстродействующих вычислительных машин. Дополнительную сложность вносят типичные для крупномасштабных систем явления статистической неупорядоченности и случайного разброса характеристик процесса. Эти явления нельзя рассматривать как внешнюю, досадную помеху они связаны с самой природой процесса и должны обязательно приниматься во внимание при анализе его работы. Непременным залогом успеха при расчете промышленных химических реакторов является предварительный анализ основных факторов, влияющих на процесс в данных условиях. Только таким путем можно выделить основные связи из сложной и запутанной картины взаимодействия различных процессов переноса и химической реакции, не отягощая расчет излишними и зачастую обманчивыми уточнениями и в то же время не упуская из виду существенных, хотя, может быть, и трудных для анализа, действующих факторов. [c.203]

Влияние флегмового числа в рамках проводимого анализа рассматривать нет необходимости, так как здесь предполагается всегда достаточное время пребывания веществ в реакционной зоне (или всегда достаточная производительность аппарата как химического реактора). [c.204]

Реактор является самой важной и одновременно наиболее трудно исследуемой частью установки. Простые физические методы измерения производительности, использованные нами при обследовании других аппаратов, в данном случае неприменимы, так как в реакторе протекают многочисленные и взаимосвязанные химические реакции. Здесь нужен полный теоретический анализ кинетики процесса (см. главу И) или его эквивалент в форме уравнений, полученный статистически, методом регрессионного анализа экспериментальных данных. [c.74]

К сожалению, этот простой и, казалось бы, очевидный анализ устойчивости не всегда приводит к правильным результатам. Как будет показано ниже, если реактор непрерывного действия обладает тремя положениями равновесия, то среднее из них — С всегда является седлом, т. е. неустойчиво, а положения равновесия А ц В могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми. Этот пример показывает, что анализ диаграммы подвода и отвода тепла в общем случае не решает вопроса об устойчивости режимов химического реактора. [c.67]

Диалоговые системы. Сложность математического описания как на уровне отдельных каталитических аппаратов, так и схемы в целом диктует необходимость разработки диалоговых систем анализа и синтеза химических реакторов и агрегатов, способных служить своеобразным мостиком между прикладным математическим обеспечением и потребностями практики проектных и исследовательских расчетов. Основная практическая цель разработки диалоговых систем — это обеспечение широкого доступа к современным методам расчета неспециалистам в области вычислительной техники. [c.256]

Подпиточные воды для экспериментальных ядерных реакторов получаются также на ионообменных установках. Так, например, для реакторов типа ВВР-М применена обессоливающая ионообменная установка (рис. 61) [274]. Производительность установки 3 по обессоленной воде. В качестве катионита применена смола КУ-2, в качестве анионита —смола ЭДЭ-ЮП. Эта установка работает с 1961 г. При обессоливании исходная вода проходит последовательно через две пары фильтров (катионитовый — анионитовый). Вода после обессоливания получается высокого качества — полное солесодержание 1 мг/ л, количество хлорид-ионов — менее 0,02 мг] п.. Результаты химического анализа исходной и обессоленной воды приведены в табл. 43. [c.201]

Анализ процесса проводим с использованием метода математического моделирования. Можно представить такую последовательность анализа процесса в химическом реакторе. [c.111]

Линейные системы. Модели потока используют не только при исследовании предполагаемой степени превращения в нелинейных системах, но и при анализе химического взаимодействия в линейных системах. Этот путь, хотя и не является прямым, тем не менее, находит применение потому, что параметры моделей часто коррелируют с такими критериями, как критерий Рейнольдса, критерий Шмидта и т. д. В дальнейшем указанными корреляционными зависимостями можно воспользоваться, чтобы в подобных условиях рассчитать степень превращения вещества, не прибегая к экспериментальному изучению характера течения жидкости в реакторе. Описанный метод применяют при анализе работы реакторов со стационарным слоем катализатора и реакторов трубчатого типа.- [c.251]

Учет неидеальности потока в реакторе включает такие этапы предварительных исследований. Первый этап - установление поля скоростей потока в объеме реактора и других явлений переноса (например, диффузионного). Чаще это эксперименты с прямым измерением векторов скоростей и другие методы аэро-или гидродинамических испытаний. Второй этап - построение модели, наиболее полно отражающей полученную структуру потока и явлений переноса. Конечно, эти модели сложнее рассмотренных. Третий этап - анализ полученной модели с целью выявить роль отклонений от идеальности потока в показателях процесса. Например, такой анализ показал, что диффузионный перенос вдоль основного потока можно не учитывать в практических расчетах, если н//)э > 50, где L - длина реактора. В специальной литературе по химическим реакторам такого рода оценки сделаны. Можно ожидать, что в большинстве случаев результаты расчета реактора с неидеальным потоком будут находиться в области между двумя крайними режимами - идеального смешения и вытеснения. [c.131]

Применение классических методов математического анализа и вариационного исчисления для оптимизации химических реакторов наталкивалось на значительные затруднения, связанные с наличием в реальных задачах ограничений на фазовые и управляющие переменные. Аналогичные трудности возникали при постановке оптимальных задач в других областях науки и техники. Это способствовало развитию таких мощных методов, как метод динамического программирования принцип максимума методы нелинейного программирования 2о-22 [c.10]

Следующий важный этап оптимизации химических реакторов — выбор метода расчета оптимальных режимов. Широкое распространение получили как классические методы математического анализа и вариационного исчисления, так и новые методы — принцип максимума динамическое и нелинейное программирование. В системе автоматической оптимизации время расчета оптимальных режимов Тр должно быть существенно меньше среднего времени между двумя последовательными возмущениями, т. е. [c.21]

Во многих химических реакторах применяется рецикл для того, чтобы получить желательный уровень конверсии или выхода целевого продукта процесса. В результате возникает обратная связь или по сырью и (или) по энергии, приводящая в некоторых случаях к множественности стационарных решений. Анализ таких ситуаций см. в [327, 336, 379], а экспериментальные результаты, подтверждающие теоретические предсказания, - в [385]. Познакомиться с гораздо более сложным для описания и анализа случаем, когда в химическом реакторе имеет место несколько почти одновременно протекающих реакций, можно в [228, 328, 341, 398]. [c.228]

Решение задач, связанных с отысканием оптимальных условий проведения химических реакций, несомненно играет важнейшую роль в общей организации химического производства, так как зачастую позволяет при этом же аппаратурном оформлении и тех же затратах сырья получить большой выход полезной продукции или повысить ее качество. Кроме того, химические процессы решающим образом влияют на > экономику производства, поэтому существенное значение приобретает экономически обоснованный выбор эксплуатационных параметров химических реакторов. В данном разделе изучены оптимальные условия для ряда простейших реакций, проводимых в различных аппаратах, с учетом разных экономических оценок эффективности процессов. При этом рассмотренные ниже примеры могут явиться иллюстрацией возможностей использования методов исследований функций классического анализа для решения частных задач оптимизации химических реакторов. [c.108]

Из изложенного выше следует, что математические методы открывают новые возможности изучения свойств химических реакторов. Эти методы позволяют дать ответ на вопрос, чего можно и чего нельзя достичь в реальных условиях. Причем мы можем получить ответы на вопросы, которые или не могут быть разрешены экспериментально, или требуют для своего решения значительных усилий. К таким вопросам относятся определение границ кинетических областей осуществления процесса и критических условий перехода из одной области в другую анализ устойчивости стационарных состояний аппарата анализ предельно возможных превращений в химических реакторах определение оптимальных условий определение в аппарате мест с наиболее высокой температурой определение размеров аппарата и его отдельных элементов (определение максимально допустимых диаметров контактных трубок) исследование параметрической чувствительности и определение областей с высокой чувствительностью к изменению исходных параметров нахождение передаточных функций для построения системы комплексной автоматизации новых проектируемых аппаратов. [c.14]

При конструктивном решении контактных аппаратов для обеспечения равномерного прохождения газов и т. д. необходимо применять гидродинамическое моделирование, а для определения тепловых и диффузионных характеристик — тепловое моделирование. Это означает, что моделирование химических реакторов не сводится только к анализу математического описания. Методы физического моделирования дополняют математические при решении вопросов гидродинамики, теплопередачи и диффузии. Таким образом, полное моделирование химических реакторов должно сочетать в себе методы математического и физического моделирования. [c.15]

Один из этапов разработки химических реакторов - аэродинамическое моделирование (см. рис. 3.4). Его появление определено следующим. С одной стороны, методы аэродинамики позволяют определить структуру потока в реакторе, что необходимо для построения в нем математической модели процесса, с другой стороны, - разработать такие конструкции отдельных узлов реактора, которые обеспечивают необходимые условия протекания процесса в нем. Аэродинамическое моделирование проводят также по масштабным уровням протекания процесса в реакторе, что было использовано при анализе процессов на зерне катализатора и в слое. [c.231]

В. В. Кафаров так изложил содержание математического моделирования химических реакторов Сущность метода математического моделирования заключается в том, что деформация модели процесса изучается не на физической модели как при физическом моделировании, а непосредственно на самой математической модели. Математическое моделирование ни в коей мере не противопоставляется физическому моделированию, а скорее призвано дополнить его имеющимся арсеналом средств математического описания и численного анализа. По существу, методы физического моделирования также базируются на тождественности математического описания процессов в исследуемом объекте и его физической модели. Однако они не рассматривают конкретных свойств математического описания на основании сравнения некоторых определяющих комплексов в общих математических уравнениях... . Для решения дифферен- [c.82]

Не всегда этим уравнением удается получить явное решение и даже аналитическое решение для производной. Как правило, прибегают к численным методам оптимизации, используя ЭВМ. Суть их сводится к подбору по каким-то правилам (алгоритму) таких значений и, при которых с некоторой точностью достигается условие (2.169). Но это - предмет другой дисциплины. Здесь рассмотрим несколько задач оптимизации с целью дальнейшего анализа процесса в химическом реакторе. [c.150]

Из рис. 7-30 видно также, что значительный разброс по концентрации существует даже после И интервалов времени с момента вовлечения объема дисперсной - фазы в процесс коалесценции. Такой анализ представляет интерес тогда, когда в объеме дисперсной фазы протекает химическая реакция, и процесс проводится в двухфазном реакторе с перемешиванием. [c.315]

Очевидно, что в дифференциальном лабораторном реакторе, работающем по принципу малых степеней превращения, градиенты концентрации сводятся к минимуму (так называемые безградиентные реакторы). Это достигается ограничением источника появления градиентов концентрации, т. е. малыми степенями превращения. Дифференциальный метод требует очень высокой точности химических анализов. [c.83]

Первая задача тесно связана с вопросами, рассмотренными в этой главе. Для автоматического поддержания заданного режима работы аппарата необходимо прежде всего знать, какова устойчивость этого режима, а в случае колебательной неустойчивости,— каков период возникающих колебаний. Везде, где это технологически и экономически целесообразно, следует, конечно, использовать возможности саморегулирования, т. е. работать на устойчивых режимах. Однако во многих случаях наивыгоднейшими оказываются именно неустойчивые режимы. Демонстративным примером являются процессы мягкого окисления органических веществ, где на нижнем устойчивом режиме скорость реакций недопустимо мала, а на верхнем устойчивом — велик выход нежелательных продуктов глубокого окисления (углекислого газа и воды). Одна из заманчивых задач химической кибернетики— проведение подобных процессов с принудительным регулированием на среднем неустойчивом температурном режиме для получения максимального выхода ценных продуктов неполного окисления. Конечно, круг вопросов, рассматриваемых в этом разделе химической кибернетики, гораздо шире содержания настоящей главы. Сюда входит анализ как более сложных технологических схем, например химического реактора с теплообменником [16], так и систем автоматического регулирования в сочетании с химическими процессами, на которые эти системы воздействуют. [c.470]

Общий метод анализа устойчивости равновесных или стационарных состояний был создан А. М. Ляпуновым [22]. Идея этого метода состоит в следующем. Для исследования устойчивости какого-либо стационарного состояния необходимо выяснить, приближается ли с течением времени к данному состоянию рассматриваемая система, будучи переведена в какое-либо другое состояние, незначительно отличающееся от первого. Ответить на этот вопрос можно, решив уравнения, описывающие поведение системы в нестационарных условиях, т. е., если мы имеем дело с процессом в химическом реакторе, — систему нестационарных уравнений материального и теплового баланса. Мы знаем, что эта задача чрезвычайно трудна и таким путем было бы очень сложно исследовать устойчивость даже какого-либо частного процесса и совершенно невозможно — выявить общие закономерности. Задачу, однако, можно упростить, используя тот факт, что для анализа устойчивости достаточно исследовать малые отклонения от стационарного состояния. Поэтому уравнения, описывающие нестационарный процесс, можно упростить, приближенно представив их правые части линейными функциями отклонений ог стационарного состояния. В результате мы получаем простую систему уравнений, поддающуюся аналитическому решению, исследование которой и дает ответ на вопрос об устойчивости стационарного режима процесса. [c.288]

Дезактивация катализаторов из-за ее большой практической важности привлекала и привлекает внимание исследователей. Однако в литературе существует некоторая путаница в понимании различных механизмов дезактивации. Часто результаты, полученные для одного из ее возможных механизмов, ошибочно применяются к другому, что приводит к неверным прогнозам в поведении катализатора. В настоящей монографии ставится задача рассмотрения совместно химических и технологических аспектов дезактивации гетерогенных катализаторов. Несмотря на то что химические и физические процессы, такие как отравление и спекание, обсуждаются в монографии каждый в отдельности, вся проблема протекания химической реакции, осложненной диффузией и дезактивацией катализатора, рассмотрена также в совокупности. Естественен переход к анализу работы реактора и выбору оптимального режима его эксплуатации, минимизирующему влияние дезактивации, В заключение рассмотрены вопросы регенерации катализаторов, восстанавливающей их активность. [c.18]

Конечной целью, к которой стремится исследователь, занятый разработкой нового промышленного катализатора, является создание такого катализатора, который обеспечил бы оптимальную работу химического реактора. Оптимальность реактора может быть определена посредством экономического критерия, в котором могут быть учтены многие факторы, влияюш ие на рентабельность процесса. В качестве критерия оптимизации могут быть использованы такие показатели, как производительность реактора по целевому продукту, селективность процесса, себестоимость одного или нескольких целевых продуктов, эксплуатационные затраты и т. д. Определение технологических и конструктивных параметров процесса, при которых критерий принимает оптимальное значение, является одной из задач математического моделирования. Как это следует из анализа макрокинетики гетерогенно-каталитических реакций, в число конструктивных параметров, подлежащих оптимизации, должны входить размер зерна и параметры, характеризующие пористую структуру катализатора. На эти переменные могут быть наложены ограничения, определяемые условиями эксплуатации или технологией производства катализатора. [c.185]

Проблемы интенси( )икации химических процессов привлекают в последнее время всеобщее внимание. Один из методов интенсификации промышленных процессов заключается в целенаправленной организации химических процессов, которая обеспечивает заданную производительность с высокой селективностью. Под целенаправленной организацией мы понимаем такие воздействия на процесс, на всех уровнях иерархии ( химическая реакция, зерно катализатора, межфазный тепло- и массоперенос, гидродинамика потока ), которые приводят к достижению наиболее эффективных режимов работы реакторного оборудования. Анализируются условия возникновения множественности стационарных состояний в фазовом пространстве и возможности смещения стационарных точек по фазовому пространству варьированием условий проведения каталитического процесса в адиабатическом реакторе. Проводится анализ химически реагирующей среды в зерне катализатора и реакторе с целью вывода уравнений, которые существенно упрощают как вычисление температурных и концентрационных профилей, так и процедуру установления областей множественности стационарных состояний. [c.108]

В расчетах химических реакторов целесообразно быстро и достаточно надежно определять границы области множественности решений. С этой целью можно использовать регрессионные уравнения. Длн анализа возможности использования такого метода нами был составлен ротатабельный план 2-го порядка в двухфакторном пространстве (14) (табл.1). Факторами являлись па- [c.107]

Анализ химического состава проб промышленного монометаллического катализатора АП-56, отбираемых из реакторов установок каталитического риформинга после различных сроков эксплуатации, показал, что концентрация сульфатной серы в АПК увеличивается с повышением продолжительности работы контакта. Абсолютная величина количества сульфатной серы в катализаторе зависит от условий эксплуатации. Так, после 18 месяцев работы АП-56 содержал в одном случае 0,14 мас.% [484], а в другом — 0,6 мас.% [474] сульфатной серы. Однако через два года эксплуатации в этих же реакторах концентрация сульфатной серы возросла и составила [c.209]

Во многих химических реакторах применяется рецикл для того, чтобы получить желательный уровень конверсии или выхода целевого продукта процесса. В результате возникает обратная связь по сырью и(или) по энергии, приводящая в некоторых случаях к множественности стационарных решений. Анализ таких ситуаций см. в [58—60]. Экспериментальные результаты, подтверждающие теоретические предсказания, см. в [61]. [c.59]

Вопросы, рассматриваемые в этой главе, излагаются более подробно и на более высоком уровне в книге Петерсена Анализ химических реакций (см. библиографию, стр. 147). Здесь мы сможем только обсудить простейшие случаи и указать их связь с обш,ей проблемой анализа химических реакторов. В предыдущих главах для описания процесса мы нсио.тхьзовали функцию г (I, Т), которая определяет скорость-реакции в единице объема реактора. Применение этой функции, безусловно, оправдано в случае гомогенного процесса. Однако было бы желательно сохранить тот же способ описания и при расчете гетерогенных процессов, таких, как каталитические газофазные реакции в неподвижном слое таблетированного катализатора. В разделе VI. обсуждаются связанные с этим вопросом трудности и ограничения. Многих затруднений можно избежать, введя понятие об определяющей стадии (раздел VI.2). В последующих разделах будут исследованы некоторые характеристики процессов адсорбции (раздел VI. 2), внешней массопередачн (раздел VI.3) и внутренней диффузии (раздел VI.4). Затем мы постараемся обобщить эти явления (раздел VI.5) и вкратце остановимся на некоторых эффектах, связанных с конечной скоростью теплопередачи (раздел VI.6). Структура главы показана на рис. VI. . [c.119]

Анализ, подобный приведенному здесь, служит предметом обсуждения многих работ. Система управления ректификационными колоннами, описанная в этой книге, была разработана именно таким способомДругие заслуживающие внимания систематические исследования касаются экстракционных колонн , ректификационных колонн и химических реакторов . [c.94]

Биохимические процессы в основе осуществляют превращение Одной субстанции в другую с помощью живых клеток, однако более рационально и экономично, чем химическое превращение. И в основе их описания широко используется математический аппарат описания многофазных химических реакторов. Ферментационная среда представляет собой многофазную систему, содержащую пузырьки газа (аэрирующий газ — источник кислорода), питательную жидкость и квазитвердую фазу (клетки — продуценты биомассы). Гидродинамика такой системы чрезвычайно сложна, поэтому чаще всего анализ структуры потоков сводится к псевдогомоген-ной системе (водная фаза — клетки). Но даже и в общем случае модели структуры потоков и массопереноса, полученные для процессов химического превращения, с учетом характерных особенностей могут быть использованы при исследовании биохимических реакторов [1, 50, 511. [c.141]

Монография известных зарубежных специалистов в области химической технологий Ф. А. Холланда и Ф. С. Чапмана Химические реакторы и смесители д.чя жидкофазных процессов посвящена обобщению опыта эксплуатации, расчета и конструирования аппаратов с мешалками для перемешивания индивидуальных жидкостей, эмульсий, суспензий. В ней собраны разбросанные по многочисленным зарубежным статьям методы обработки экспериментальных данных и сделана попытка создать общие схемы оптимального расчета таких аппаратов. Обобщение результатов производится главным образом методом анализа размерностей. [c.8]

Анализ, который проведен ниже, применим также к из енпю химических реакторов непрерывного действия с мешалкамп. Обычно производительность таких систем ниже, чем реакторов периодического действия или трубчатых, но управлять ими проще. [c.86]

В качестве термодинамических потенциалов для этих целей целесообразно использовать Р л С, так как химические реакции протекают обычно при У = соп51 (например, в автоклавах) илп при р — сопз (например, открытых реакторах, колбе). Достил ение условия 7=соп51 не представляет в этом случае особых затруднений. На практике чаще имеют дело с процессами при постоянном давлении, поэтому для термодинамического анализа "принципиальной [c.153]

Т.е. коэффициент р отличается от Р лишь мнояштелем 01/Л. В случае использования коэффициента Р для оценки устойчивости модели и оригинала при масштабировании и увеличении масштаба величина tg и общая теплоемкость массы возрастают в одинаковое число раз, так что их отношение остается постоянным. Это показывает, что при масштабировании между коэффициентами р и Р существует однозначная зависимость, но связанная с масштабом процесса. Следовательно, при анализе устойчивости химических реакторов для целей масштабирования можно пользоваться коэффициентом р. [c.422]

В работе В. Ювекара и М. Шарма [195] получены и систематизированы расчетные формулы для определения высоты насадочного, барботажного или комбинированного слоя, в котором протекает массопередача с необратимой химической реакцией. Рассмотрена работа аппаратов в предельных гидродинамических режимах. Оригинальным разделом работы следует считать кинетический анализ газожидкостных реакторов полупериоди-ческого типа с механическим перемешиванием, учет изменения давления по высоте барботажного реактора (по линейному закону), разработку приближенного аналитического метода расчета числа тарелок (так называемый модифицированный метод Льюиса). Однако последний включает в себя допущение о линейном изменении концентрации передаваемого компонента по высоте слоя на тарелке указанное ограничение в общем случае неприемлемо. [c.160]

Краевые задачи для систем уравнений параболического типа представляют собой одну из основных математических моделей, возникающих в теории горения, теории химических реакторов и Б других прикладных вопросах. Качественный анализ решений таких задач является актуальной проблемой теории математического моделирования химических процессов. За последние годы в работах Т.И.Зеленяка, С.Н.Кружкова и ряда других авторов (см.[I])достигнуто существенное продвижение в иззгчении поведения решений одного квазилинейного пар олического уравнения с одной пространственной переменной доказана теорема о стабилизации ограниченных решений,получены удобные для приложений критерш устойчивости стационарных режимов, исследованы области устойчивости, а также поведения решений в окрестности неустойчивых стационарных режимов. Построение столь же полной качественной теории в случае систем уравнений пока еще не представляется возможным, хотя имеется ряд частных результатов, показывающих,что качественная картина поведения решений параболических систем во многом отличается от поведения решений [c.132]

В работе [58] такое рассмотрение применено при изучени химического реактора, представленного последовательностью полу бесконечных частей. Выполненный анализ согласуется с физиче скими явлениями и приводит к граничному условию для потока текущего вниз, в виде 5 /< /=0, [c.223]