Физико-химические математические модели

Под математической моделью (математическим описанием) понимается совокупность математических зависимостей, отражающих в явной форме сущность химического процесса и связывающих его физико-химические, режимные и управляющие параметры с конструктивными особенностями реактора. В общем случае математическая модель химического реактора должна состоять из кинетических уравнений, описывающих зависимость скорости отдельных реакций от состава реагирующих веществ, температуры и давления, из уравнений массо-теплообмена и гидродинамики, материального и теплового балансов и движения потока реагирующей массы и т. д. [c.7]

Различают два основных вида математических моделей детерминированные (аналитические), построенные на основе физико-химической сущности, т.е. механизма изучаемых процессов, и статистические (эмпирические), полученные в виде уравнений регрессии на основе обработки экспериментальных данных. Очевидно, что физико-химические детерминированные модели более универсальны и обычно имеют более широкий интервал адекватности. [c.76]

Для установок платформинга, ориентированных на получение бензина, необходимо определение октанового числа 04. В ряде статистических моделей зависимость 04 от физико-химических или других технических характеристик бензина дается в виде полиномов [8]. Их использование неудобно, так как изменение состава сырья или типа катализатора требует уточнения большого числа коэффициентов. В наших работах изучена связь 04 и содержания групповых компонентов, определяемого по математическому описанию. В основу положена связь 04 бензина и 04 смешения групповых компонентов. Так, по нашим оценкам, для платформатов 04 124, 04 = 68, 04р 56. Однако расчет по правилу аддитивности (04 = табл. Х-1) показал [c.342]

В общ,ую процедуру принятия решений при оптимизации пористой структуры катализатора, рассмотренную в разд. 3.1, входит в качестве обязательного этапа составление математической модели гетерогенно-каталитического процесса на зерне катализатора и идентификация ее параметров. Эта модель должна отражать как геометрические характеристики структуры зерна, так и важнейшие особенности собственно физико-химических процессов, протекаюш,их в нем. Для наглядности представления последних удобно мысленно выделить фиксированную группу молекул исходных веществ, которая участвует в ряде последовательных физико-химических стадий суммарного контактного процесса на зерне катализатора 1) перенос исходных веществ из реакционной смеси к внешней поверхности частиц катализатора 2) перенос исходных веществ от внешней поверхности частиц катализатора к их внутренней поверхности 3) адсорбция исходных веществ на активных центрах катализатора 4) реакция между адсорбированными исходными веществами и перегруппировка адсорбционного слоя 5) десорбция продуктов реакции 6) перенос продуктов реакции от внутренней поверхности частиц катализатора к их внешней поверхности 7) перенос продуктов реакции от внешней поверхности катализатора в объем реакционной смеси. [c.149]

Любая математическая модель основана на упрощении (идеализации) реального процесса, что позволяет создавать расчетные схемы, учитывающие только основные эффекты. В подземной гидромеханике моделируют 1) флюиды (жидкости и газы) 2) породы-коллекторы 3) геометрическую форму движения 4) вид процессов, в том числе физико-химических. [c.379]

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ [c.308]

Математическая модель реактора может быть полная и приближенная. Полная модель, как только что отмечалось, является математическим отображением физико-химической модели реактора. Приближенные модели не учитывают в полном объеме физические процессы, протекающие в реакторе (кинетическое приближение), или химические процессы (диффузионное приближение). [c.23]

Кинетическая модель является основой математического моделирования химических реакторов. Поэтому первостепенное значение приобретает как физико-химическое обоснование модели, так и исследование ее физической корректности. Например, если реакция осуществляется в закрытой системе, то к математической модели предъявляются следующие физические требова- [c.24]

Аналитический метод построения математической модели состоит в аналитическом описании объекта управления системой уравнений, полученных в результате теоретического анализа физико-химических явлений ка основе законов сохранения энергии и вещества, В этом случав математическая модель содержит уравнения материального и энергетического (теплового) балансов, термодинамического равновесия системы и скоростей протекания отдельных процессов, например, химических превращений, массопередачи, теплопередачи и т,д. [c.12]

Основные каталитические процессы в нефтехимической и химической промышленности характеризуются многостадийностью собственно химических превращений при значительном числе участвующих в них реактантов. Последнее является причиной многомерности и сложности математических моделей, в которые входят большое количество уравнений, в первую очередь материального и теплового балансов. Практическое использование подобных моделей затруднительно, ибо для получения на ЭВМ полей концентраций реагентов и температуры в реакторе требуются большие затраты машинного времени. Это приводит во многих практических ситуациях к чрезмерному усложнению процедур структурной и параметрической идентификации и к невозможности научно обоснованного выбора математической модели каталитического процесса, отражающей результаты промышленного эксперимента в широком диапазоне изменения технологических параметров. Эффективный путь преодоления этих трудностей состоит в сокращении размерности уравнений модели за счет априори построенных уравнений инвариантов физико-химических (реакторных) систем. Инварианты позволяют также осуществить предварительную оценку параметров реакторных моделей, проверить обоснованность выбора граничных условий. [c.242]

Нерегулярная стохастическая пористая структура катализатора представляется в виде статистических ансамблей взаимосвязанных структурных элементов. Это позволяет применять иерархический принцип построения математических моделей физико-химических процессов в пористых средах. Каждый уровень иерархии предполагает выбор своей модели процесса, наиболее адекватно отражающей особенности его протекания. [c.141]

Действительно, объекты природы наиболее универсально отображаются в виде математических моделей . Но физическое в математическое моделирование физико-химических процессов нельзя осуществить независимо друг от друга. Математическое описание и математическая модель появляются в результате физического моделирования процессов. Поскольку математическое моделирование не является самоцелью, а служит средством для оптимального проведения процесса, результаты его используются для создания оптимального физического объекта. Исследования на этом объекте (новое физическое моделирование) позволяют проверить результаты математического моделирования и улучшить математическую модель для решения новых задач. Ясно, что как математическое, так и физическое моделирование есть только этапы единого процесса — моделирования, цель которого — решение технических задач. [c.9]

Одной из важных задач применения математической статистики является определение доверительной области кинетических параметров физико-химического процесса. Эти параметры определяются по экспериментальным данным, причем в соответствие эксперименту ставится математическая модель с неизвестными параметрами к ,. .., к/. [c.42]

При наличии теплового эффекта реакции, очевидно, необходимо обеспечить подвод (съем) тепла за счет внешнего теплоносителя (хладоагента). Соответственно математическое описание должно включать и выражение (4.48) в уравнении теплового баланса. И, наконец, для реакций, протекающих в системе из двух (и более) фаз, необходимо учитывать массоперенос через границу раздела фаз в форме выражения (4.52). Таким образом, в зависимости от физико-химической природы реагентов, их характерного состояния, типа реакции (эндо- или экзотермическая) одной и той же модели структуры потоков будут соответствовать различные математические описания конкретных реакторов. [c.136]

Физико-химическая модель аппарата, записанная в математических терминах, носит название математической модели реактора. Таким образом, математическая модель реактора представляет собой лишь отображение физико-химической модели. [c.23]

Наиболее удобной аналоговой моделью является математическая машина — модель, осуществляющая расчеты на основании математического описания моделируемого процесса. Создание таких математических моделей стало возможно в связи с широким использованием вычислительных машин. Современные вычислительные машины позволяют осуществить огромное число различных математических операций, а в перспективе — провести расчеты по математическому описанию любого физико-химического процесса. Именно поэтому они являются универсальными математическими моделями. [c.13]

В настоящее время наиболее изучены вопросы физико-химического взаимодействия углекислого газа с пластовыми средами, что позволило на базе экспериментальных исследований и расчетов на подробны.ч математических моделях выработать достаточно полную и стройную картину поведения пластовых систем при закачке углекислого газа. [c.149]

Иногда физико-химические данные о технологических процессах настолько неточны, что создание точных модулей вообще не имеет смысла. Модули, которые часто используются при проектировании различных ХТС, должны быть построены таким образом, чтобы для вычислительных операций при их расчете требовалась минимальное машинное время. Для этой цели необходимо использовать алгоритмы оптимизации стратегии решения символических математических моделей ХТС, основанные на применении двудольных информационных графов. [c.60]

Генерация схем производится с учетом выявленных ранее ограничений и оценок. Этапы, предшествующие непосредственно синтезу оптимальной схемы, позволяют сформировать список компонентов с учетом образования азеотропных смесей в процессе деления, добавления разделяющих агентов или избытка отдельных компонентов для обеспечения или исключения азеотропных условий, т. е. формализовать в некоторой степени этап синтеза, основанный на опыте и интуиции проектировщика. Список формируется также с учетом оригинальных разработок для разделения отдельных компонентов смеси и их физико-химических свойств. В результате этого выявляется стратегия целенаправленного поиска оптимальной схемы. Заметим, что список компонентов может отличаться от исходного питания по количеству, составу, числу компонентов. Непосредственно генерация вариантов схем заключается в анализе списка компонентов, выборе сечений и оценке получаемых схем, в том числе с учетом рекуперации тепла. Поскольку список компонентов формируется исходя из реальных условий протекания процесса (например, фазовое равновесие), математические модели должны воспроизводить эти условия. Однако если разделяемая смесь не содержит сильно неидеальные системы, то расчет можно проводить и по упрощенным методикам, поскольку такие системы чаще всего многовариантные. На рис. 2.10 схематически приведена взаимосвязь этапов синтеза. [c.142]

Характер технологических задач, решаемых на каждой иерархической ступени химического предприятия, определяет вид математической модели, используемой для исследования функционирования этих ступеней. Наиболее подготовлены к математическому моделированию элементы ХТС, для моделирования которых используют нелинейные интегро-дифференциальные уравнения, отражающие физико-химическую сущность технологического процесса. [c.18]

Совокупность математических соотношений, образующих данную символическую математическую модель ХТС, в частном случае представляет собой систему уравнений математического описания ХТС. Используют два метода составления систем уравнений математического описания ХТС. Один метод основан па глубоком изучении физико-химической сущности технологических процессов функционирования ХТС и ее элементов, другой — на применении формально-эмпирических математических зависимостей, полученных в результате статистического обследования действующей ХТС. Символические математические модели ХТС второго типа обычно называются статистическими моделями. Последние имеют вид регрессионных или корреляционных соотношений между параметрами входных и выходных технологических потоков ХТС. [c.20]

В отличие от ЦВМ аналоговые машины позволяют отыскивать не только конечный результат решения, но и дают возможность моделировать ход самого процесса во времени в соответствии с его действительным протеканием в физической модели. Различие может быть лишь в масштабе физико-химических величин и, в отдельных случаях, в масштабе времени. Для этих машин характерны сравнительнб простые методы решения, экономия времени при расчетах (решение практически осуществляется мгновенно), наглядность получаемых результатов и, наконец, относительная дешевизна их. Однако аналоговая машина решает уравнения только с начальными условиями, в то время как многие задачи математического моделирования являются краевыми. Для решения последних на АВМ обычно пользуются методом проб и ошибок, т. е. последовательно подбирают начальные условия такими, чтобы условия в конце интервала интегрирования были выполнены. [c.12]

В книге изложены математические и физико-химические основы моделей химических реакторов. Рассмотрены модели идеального смешения и идеального вытеснения, диффузионная и ячеистая модели, комбинированные модели, двухфазная модель реактора с псевдоожиженным слоем катализатора, статистические модели. Знач>1тельное внимание уделено физической интерпретации процессов в реакторах, составлению основных уравнений, выбору граничных и начальных условий, качественному и количественному анализу типов моделей. [c.4]

Однако необходимость решения более сложных неодномерных задач фильтрации жидкостей, газов и их смесей в природных пластах потребовала создания более совершенных математических моделей, основанных на лучшем знании и понимании гидродинамических и физико-химических процессов, происходящих в залежи при ее разработке. Использование этих моделей, как правило, связано с применением численных методов и современной вычислительной техники. Данная глава посвящена изучению простейших одномерных установившихся потоков жидкости и газа в пористой среде по линейному и нелинейному закону фильтрации. [c.59]

Из-за недостаточности физико-химических представлений о процессе, а также для упрощения математического описания приходится пренебрегать рядом эффектов второго порядка. В результате этого модель получается в той или иной мерэ идеализированной. Для одного и того же реактора может быть составлено несколько моделей, отличающихся как физической интерпретацией процесса, так и числом учитываемых переменных. Выбор модели определяется требованиями решаемой задачи. [c.8]

Для решения уравнений математической модели могут быть использованы любые счетно-решаю1Цие устройства, а в отдельных случаях (если уравнения решаются аналитически, а число исследуемых вариантов невелико) и непосредственно ручной счет. Наибольшее распространение получили цифровые (ЦВМ) и аналоговые (АВМ) вычислительные машины. Они позволяют математическую модель представить в виде реальной модели, отличающейся по своей физической природе от изучаемого процесса, и с помощью ее провести всестороннее исследование физико-химических закономерностей процесса и промасштабировать опытные данные для промышленного реактора. Цифровые и аналоговые вычислительные машины являются машинами соответственно дискретного и непрерывного действия. Это предопределяет особенности возможностей обоих типов машин и подготовки математической формулировки решаемой задачи. [c.11]

В последние годы появилось значительное число публикаций, посвященных.решению проблем математического моделирования слоя катализатора с учетом дезактивации, факторов массоперено кинетики основных реакций и пр. В ряде случаев эти модели включают многие показатели физико-химической характеристики сырья i каиализагора вытекающие из необходимости численного решения уравнений, описывающих распределение оров пи радиусу гранулы и по высоте [c.141]

Для объяснения на6. 1юдаемых эффектов была построена математическая модель, основанная на принципах механики многофазных сред и описывающая гидродинамические процессы с учетом физико-химических превращений, происхо-дящ11х в райзере лифт-реактора каталитического крекинга при подаче восстанавливающего агента [4.38, 4.39]. Результаты численного решеипя показывают (рнс. 4.4), что существующий в реальных условиях характер течения в райзере реакюра не обеспечивает необходимое перемешивание подаваемого топливного газа с катализатором над областью ввода катализатора в райзер. Это приводит, согласно полученным [c.123]

В целом физико-химический подход малоконструктивен в смысле производства таких зависимостей, которые содержали бы экспериментально наблюдаемые макроскопические величины и позволяли быстро и обоснованно строить математическую модель изучаемого сложного процесса. Это обстоятельство всегда отчетливо понималось макроскопическими кинетиками, наиболее точно охарактеризовал ситуацию Ф. Даниэльс Несмотря на Эйринга и Аррениуса химическая кинетика — это сплошная неразбериха. Но сквозь всю путаницу усложнений просвечивает один мощный луч надежды. Многочисленные последовательные, конкурирующие и обратные реакции сами по себе являются простыми мономолекулярными или бимолекулярными реакциями, которые в принципе подчиняются простым законам. Мы боремся, следовательно, не столько с первичными стадиями, сколько с задачей их взаимной увязки для того, чтобы объяснить наблюдаемые факты и сделать практические предсказания . [c.5]

Второй суперблок, по существу, представляет собой библиотеку математических моделей физико-химических свойств веществ. При переходе от исследования одной задачи к другой, даже если эти задачи относятся к совершенно различным областям химии, первый суперблок системы ДИАХИМ практически не меняется, а все изменения связаны с заменой одной математической модели нз библиотеки второго суперблока другой или же, если требуемая модель в библиотеке отсутствует, с построением такой модели в рамках самой системы ДИАХИМ. [c.54]

Началом процедуры является построение самых общих структурных схем или диаграмм процесса, аналогичных рассмотренным выше, которые затем детализируются. При этом переход от диаграмм к математическим моделям осуществляется не в лингвисти-чески-смысловой форме, как это делается, например, в [4], а автоматизированно. Программный комплекс BOND метода включает 17 основных программ на языке Фортран и позволяет воспринимать информацию в виде диаграмм процессов перерабатывать эту информацию сообщать пользователю, какой вид системы уравнений соответствует введенной диаграммной информации и, если этот вид удовлетворяет пользователю, то ЭВМ идентифицирует параметры модели находит решение уравнений математической модели и построит графики изменения требуемых переменных состояния процесса [10J. Пользователь оценивает полученную количественную информацию с физико-химической точки зрения, и если она его не удовлетворяет, то он вносит коррекцию в рисунок процесса в виде диаграммы, которая изображается на экране дисплея. Так в результате диалога пользователя с ЭВМ итеративно рождается правильный диаграммный образ физико-химического процесса и параллельно с ним в ЭВМ автоматически формируется система уравнений, представляющая адекватную математическую модель процесса в рамках представлений данного пользователя til, 12]. [c.226]

Математическое моделирование дает ответ на вопрос, как будет реагировать система на то или иное внешнее воздействие, если мы правильно отобразили внутренние связи физических и химических процессов в аппарате. Любая доступная нам сегодня физико-хими-ческая модель есть модель приближенная. Следовательно, пр де всего необходимо убедиться в корректности сделанных допущений плп, как принято говорить, проверить адекватность модели. [c.24]

В общем случае проверка адекватности модели представляет собой сложную физическую задачу. Как было показано выше, при составленпп физико-химической модели реактора необходимо сделать допущение об определенном характере элементарных физических процессов, о факторе их усреднения, о влиянии на них конструкции аппарата и параметров процесса, о химизме процесса п, наконец, о хара1 тере взаимного влияния физических и химических процессов. В определенных условиях любое из этих допущений может явиться источником ошибок. При этом нельзя забывать, что только кинетическая модель процесса не зависит от конструкции аппарата и параметров процесса, а все физические процессы связаны с конкретными параметрами процесса и конкретной конструкцией аппарата. Поэтому необходимо четкое представление о том, корректность как их допущений может быть проверена прп постановке определенных 1 онкретных опытов и сопоставлении их результатов с результатами математического эксперимента. [c.24]

Под моделированием физико-химического процесса понимается его осуществление и исследование при помощи специально созданного для этой цели устройства — модели. Такая формулировка уже философского определения, по которому любой образ объекта, как мысленный, знаковый, так и вещественный, считается моделью. Например, слово реактор можно рассматривать как некоторую модель технического аппарата. Понятно, что такое гпирокое определение сводит любую деятельность к моделированию, и этот термин становится бессмысленным. Поэтому в технике следует считать моделью устройство для получения новых сведений о процессе. С этой целью можно различать знаковый образ процесса (математическое описание, чертеж технологической схемы) и модель — устройство для изучения процесса (ЭВМ для расчетов по алгоритму, в котором использовано математическое описание опытная установка). Обычно в технической литературе это различие не требует пояснений, независимо от применяемой терминологии. [c.8]

Из сказанного ясно, что для одного физико-химического процесса можно создать несколько математических описаний, различающихся как числом учитываемых переменных, так и связывающими их структурами. Boзникae t проблема так называемой дискримннации моделей, сводящаяся к выбору такого математи- [c.54]

Изучение физико-химического процесса на любой установке (лабораторной, опытной, промышленной) представляет собой физическое моделирование, которое было основным методом исследования в течение длительного периода. Однако развитие науки показало, что не все процессы можно изучать на физических моделях. Например, крайне сложно осуществить физическое моделирование закона тяготения Ньютона Больцман долгие годы отстаивал свою молекулярно-кинетическую теорию, которая не признавалась крупнейшими авторитетами его времени на том основанпи, что поведение молекул не наглядно, их трудно физически моделировать. Выход был найден в аналогии (преимущественно математической) разных по физической сущности явлений природы . Например, законы Ньютона (притяжение тел) и Кулона (притяжение электростатических зарядов) описываются одинаковыми уравнениями. Используя аналогию физических явлений, создают модель, в которой осуществляют новый процесс, описываемый уравнениями такой же структуры, что и исходный. [c.12]

Для стадии, имеющей наибольитую относительную частоту, формируют аппаратурный модуль, руководствуясь общими принципами инженерно-аппаратурного оформления технологического процесса. Например, для стадии химического синтеза определяющими выбор аппаратурного оформления признаками являются агрегатные состояния исходных реагентов и продуктов реакции, значения режимных параметров процесса (температуры, давления), физико-химические свойства среды, выделение газофазных продуктов реакции и т. п. В отсутствие или при невозможности сформировать математические модели эта информация является определяющей при выборе типов основного и вспомогательного оборудования. [c.227]

Для математического моделирования ХТС используют специальные программы ц и ф р о в о г о м о д е л и р о в а н и я (СПЦМ), построенные по блочному илн декомпозиционному принципу. Обобщенная функциональная схема СПЦМ ХТС состоит из следующих блоко.в (рис. П-7) 1—блок ввода исходной информации 2 —блок математических моделей типовых технологических операторов или модулей 3 —блок определения параметров физико-химических свойств технологачесних потоков и характеристик фазового равновесия 4 —блок основной исполнительной программы 5 —блок обеспечения сходимости вычислительных операций 6 — блок оптимизации и расчета характеристик чувствительности ХТС к изменению пара-метров элементов (технологических операторов) системы 7 — блок изменения технологической топологии ХТС 8 — блок расчета функциональных характеристик ХТС 9 —блок вывода результатов. [c.53]

В химической технологии эксперименты могут проводиться на нескольких уровнях, а именно а) лабораторные исследования, целью которых является определение физико-химических характеристик процесса (явления), свойств веществ и соединений, отработка теоретических предположений б) исследования на опытных установках с целью выбора типов аппаратов, разработка технологического регламента, изучения диналшки объекта (выбора каналов управления) в) исследования на промышленных установках с целью оптимизации технологических и конструкционных параметров объекта, совершенствования технологии и оборудования г) исследования на математических моделях с целью выбора оптимальных условий эксплуатации, процесса, отработки алгоритмов управления, выбора связей между отдельными частями системы и т. д. [c.56]

Несмотря на различную физико-химическую природу рассмотренных выше процессов, разработка математических моделей каждого из них и методология определения параметров во многих аспектах имеет много общего. Прежде всего для каждого из процессов характерны такие этапы, как исследование условий химического и фазового равновесия, причем для большинства из пих по единой методологии и одним и тем же моделям оценка гидродинамической структуры систем с двумя (и более) фазами применительно к выбранному типу оборудования оценка параметров кинетических закономерностей (коэффициентов массопередачи, площади поверхности раздела фаз, коэффициентов диффузии и т. д.) для учета реальных условий массоиереноса установление механизма химических реакций и оценка параметров (для процессов химического превращения, хеморектификации, хемосорбции), выбор разделяющего агента (для комплексов с разделяющими агентами). [c.94]

Низкие по точности модели принято классифицировать как приближенные, и область их применения обычно ограничивается прикидочными расчетами, в результате которых выявляются качественные характеристики объекта.. Получение же количественных оценок, как правило, производится на базе точных моделей. Получение количественных зависимостей за практически приемлемое время счета возможно как результат снижения размерности задачи поиска (сокраш ения числа просматриваемых варианток) или как результат разработки точных и быстродействующих моделей. В первом случае основным приемом является использование различного рода ограничений, основанных на физико-химических, технологических и другого рода предпосылках (применение эвристических правил, эволюционной стратегии, фундаментальных закономерностей протекания процесса). Во втором случае задача заключается в разработке быстродействующих алгоритмов решения уравнений математического описания, использования аппроксимационных моделей. Снижение размерности пространства поиска оптимального варианта широко используется при разработке алгоритмов синтеза технологических схем (см. гл. 8). Обычно с решением этой же задачи связана и разработка аппроксимационных моделей. [c.426]

Получение научно обоснованных результатов исследований при решенпи задач проектирования и эксплуатации ХТС возможно только при наличии их математических моделей, которые должны отражать как технологические связи между аппаратами и физико-химическую сущность технологических процессов, так и экономические критерии функционирования существующих химических производств. Методологической основой моделирования ХТС является системный анализ. [c.10]