Моделирование реакторов физическое

При разработке аппаратурного оформления реакторного узла любого конкретного процесса, в том числе при расчете его оптимальных характеристик, используют термодинамические, кинетические и физические данные о процессе, а также учитывают его технологические и экономические особенности. При этом широко применяют методы математического моделирования реакторов и методы оптимизации — см., например (1, 2, 4—6). [c.120]

При математическом моделировании реакторы с мешалками рассматривают как аппараты идеального смешения, но физическое их моделирование пока еще не отработано. Практика показала, что при переходе от малой модели к промышленному аппарату наблюдается снижение его эффективности. [c.12]

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]

Физическое моделирование реакторов оказалось, однако, невозможным. Число критериев, необходимых даже для приближенного описания химических процессов, слишком велико [15, 16], что делает возможность построения удобной физической модели реактора маловероятной. [c.190]

Для составления математического описания пиролизного реактора кроме уравнений кинетики необходимо иметь математические модели протекающих в нем физических процессов — тепловых, гидродинамических, массопередачи и т. д. Задачи статической оптимизации пиролиза углеводородов, рассматриваемые в данной работе и направленные на достижение максимального выхода целевых продуктов, связаны с определением оптимальной совокупности режимных параметров, относящихся непосредственно к змеевику трубчатой печи. Поэтому при моделировании реакторов основное внимание уделяется процессам, протекающим в реакционной зоне пирозмеевика. [c.54]

В последние годы в Советском Союзе издан ряд книг по вопросам математического моделирования, расчета и оптимизации химических реакторов. Тем не менее, перевод и издание монографии Р. Ариса, крупного американского специалиста в этой области, представляется весьма целесообразным. Предлагаемая читателю книга отличается от других книг этого направления тем, что в ней с максимальной последовательностью проводится строгий математический подход в постановке и решении рассматриваемых задач. Некоторое абстрагирование от излишних физических и химических деталей предмета и четкая формализация проблемы представляются особенно необходимыми сейчас, в период становления научных основ проектирования и эксплуатации химических реакторов и отхода в этой области техники от чисто эмпирических методов. Вероятно, наибольшую ценность такой подход имеет при обучении студентов и аспирантов, для которых автор и предназначает свою книгу. [c.5]

Исторически в исследованиях наибольшее распространение получил метод физического моделирования, согласно которому связи между физическими величинами устанавливаются только в пределах данного класса явлений. В таком случае основные уравнения, опис ыв щие процесс, преобразуются в группу критериев подобия, которые являются инвариантными к масштабам реактора. Это позволяет результаты исследований на модели переносить (масштабировать) на промышленный аппарат. Поскольку химический процесс характеризуется одновременно р личными классами физических и химических явлений, то при физическом моделировании его с изменением масштаба физической модели реактора инвариантности критериев подобия достичь не удается. Стремление сохранить при изменении масштабов постоянство одних критериев приводит к изменению других и в конечном счете к изменению соотношения отдельных стадий процесса. Следовательно, перенос результатов исследования с модели реактора на его промышленные размеры становится невозможным. При математическом моделировании указанное ограничение автоматически снимается, так как необходимости в переходе от основных уравнений к форме критериальной зависимости здесь нет, нужно иметь лишь описание химического процесса, инвариантного к масштабам реактора. При этом количественные связи, характеризующие процесс, отыскиваются в форме ряда чисел, получаемых как результат численного решения на электронных вычислительных машинах. [c.13]

Инвариантность математического описания химического процесса к масштабам реактора достигается через инвариантность описаний каждого из физических и химических явлений, другими словами, математическое моделирование химического процесса как единого целого идет через раздельное изучение его химических, массо- и теплообменных и гидродинамических явлений с составлением математического описания для каждого из них, инвариантного к масштабам реактора. При этом как в изучении отдельных классов явлений, связанных с тепловым и концентрационным полем химического процесса и его гидродинамическими условиями, так и в составлении математического описания [c.13]

Левич В. Г., Письмен Л. М., Моделирование химических реакторов. Доклады 5-й Межвузовской конференции по физическому и математическому моделированию. Секция Моделирование химико-технологических процессов, МЭИ, 1968, стр. 35—48. [c.183]

В книге кратко изложена теория ионообменных реакторов. Особое внимание уделено физическим и математическим моделям, обобщенным методам моделирования и инженерного расчета, выбору начальных и граничных условий. Даны сравнительные оценки ионообменных реакторов и рекомендации по их применению в различных химико-технологических производствах. Приведены многочисленные примеры расчетов, в том числе с использованием ЭВМ. [c.167]

Реальные модели, которыми являются физические объекты, подразделяют на физические и математические. Физическая модель характеризуется той же физической природой, что и исходный процесс. Создание моделей процессов, в которых сохраняются лишь самые суш,ественные черты — нелегкое дело и возможно только на основе знания промышленных процессов. Умение предсказать поведение химического реактора при изменении параметров процесса Является главным критерием правильного выбора модели. Поэтому для моделирования особенно важно единство теории й практики. [c.461]

Метод физического моделирования особенно привлекателен для инженеров-исследователей, так как физическая природа модели и объекта не меняется и физическая модель воспроизводит все стороны исследуемого процесса, что позволяет уточнить некоторые детали, не отраженные в исходной знаковой модели. Однако указанную модель можно реализовать только при наличии подобной модели у исходного аппарата или реактора. При этом под подобной понимается модель, отличающаяся лишь изменением масштаба входящих величин, т. е. характеризующаяся одинаковой знаковой моделью в безразмерной форме. [c.461]

В общем случае из-за изменения соотношения отдельных стадий процесса в реакторе масштабный переход на основе физического подобия и физического моделирования осуществить нельзя. Поэтому для масштабного перехода к укрупненным, опытным и полупромышленным установкам ранее использовали преимущественно эмпирический метод постепенного увеличения размеров реакторов. Однако вследствие отсутствия при таком подходе научного предвидения результатов протекания процесса число стадий его оказывалось значительным, что приводило к большим затратам времени и средств и не позволяло достигнуть оптимальных результатов. [c.466]

Трудности физического моделирования удается преодолеть при применении метода математического моделирования. Правда, не всякое математическое описание может служить основой математического моделирования. Для того чтобы учесть влияние физических факторов на скорость и избирательность процесса и предсказать результаты измерений в реакторах любого масштаба, необходимо построить знаковую модель в соответствии с изложенным принципом инвариантности закономерностей протекания процессов в составных частях модели относительно масштаба. Особенности масштаба должны учитываться связями между составляющими, краевыми условиями (размеры, способ теплообмена и др.), а при нестационарных процессах — также и начальными условиями. [c.466]

Основа метода математического моделирования — идея иерархического, многоуровневого подхода к. построению математической модели реактора, заключающегося в расчленении сложного химико-технологического процесса на химические и физические составляющие, раздельном их изучении и последующем синтезе общей математической модели из моделей отдельных частей сложного процесса. Общая математическая модель процесса, представляющая собой сложную систему нелинейных дифференциальных уравнений в частных производных, требует для решения разработки специальных методов качественного и численного анализа, как правило, широкого применения современных ЭВМ. [c.3]

Рассмотрение структуры слоев катализатора в реакторах с позиций механики сыпучих тел с использованием механизма сводообразования наиболее полно отражает физическую сущность процесса образования неоднородностей и связанные с ними гидродинамические неоднородности реакционных потоков. Моделирование напряженного состояния зернистых слоев методом эквивалентных материалов открывает возможность исследовать количественно масштаб таких неоднородностей, находить способы уменьшения их влияния, позволяет на моделях отрабатывать надежные способы и устройства для загрузки катализаторов. [c.42]

При использовании первого метода моделирования возникает ряд трудностей нри переходе от исследуемой модели к промышленной установке. Причина таких затруднений состоит, как правило, в невозможности в общем случае сохранить одинаковым влияние физических факторов на скорость химического превращения в реакторах разного масштаба. [c.223]

Физическое моделирование экстремального случая теплового взрыва, т. е. взрыва, реализованного с минимальными потерями тепла, производится с целью получения результатов, которые могут быть распространены на промышленные установки. Под результатами в данном случае понимают либо только определение периода индукции теплового взрыва и связанной с ним критической температуры процесса для конкретного реактора (в нро-грамме-минимум), либо (в программе-максимум) нахождение вида кинетического уравнения. Если разложение реакционной массы начинается ниже точки кипения ее, то возможно проведение адиабатических экспериментов в обычной аппаратуре, не приспособленной к работе под давлением. [c.176]

На основании анализа физико-химических особенностей процесса, а также его аппаратурного оформления можно выделить три основных источника развития аварийных ситуаций увеличение скорости подпитки бромистого этила уменьшение или полное прекращение подачи охлаждающего рассола в обратный холодильник, а также попадание в реакционный объем воды, с которой реактив Гриньяра реагирует очень бурно. В качестве защитных воздействий, способствующих уменьшению скорости реакции и увеличению теплоотвода из реакционного объема могут быть применены отсечка подпитки бромистым этилом прекращение перемешивания подача в рубашку реактора аварийного охладителя сброс избыточной части паров эфира. С учетом этих данных проводилось физическое моделирование процесса на лабораторной установке. [c.202]

Продольное перемешивание в стекающей пленке. При математическом моделировании пленочных реакторов необходимо знать характер продольного перемешивания жидкости в пленке. На основе анализа диффузионной модели перемешивания и в результате экспериментального изучения влияния физических свойств жидкости (р, V, а), длины пробега пленки (Я) и скорости противоточно движущегося газа в 148 [c.148]

К основным типам моделей относятся физические и математические. В ходе физического моделирования создаются установки,, сохраняющие в той или иной степени физическую природу изучаемого явления физические модели обычно сходны с оригиналами и по геометрической форме, а отличаются от него лишь значениями параметров. Физическое моделирование является одним из основных методов моделирования химико-технологических процессов, особенно таких сложных процессов, как каталитическая реакция во взвешенном (кипящем) слое катализатора. Физическое моделирование незаменимо также при моделировании геометрии промышленных реакторов и протекающих в них гидродинамических процессов. При этом связь между параметрами системы обычно установлена лишь функционально и определяется эмпирически. [c.321]

Принципы аналогии. Сущность математического моделирования. Для весьма сложных химико-технологических процессов, проводимых, например, в химических реакторах с катализаторами, подобное преобразование дифференциальных уравнений приводит к выводу зависимостей между большим числом критериев подобия. Надежное моделирование таких процессов на малой опытной установке с последующим распространением полученных данных на производственные условия, т. е. применение изложенных выше принципов физического моделирования, практически невозможно. Причина этого станет ясна на примере более простого случая — гидродинамического подобия (см. стр. 81). [c.74]

С развитием математического моделирования процессов и реакторов и исследованием с помощью математических методов динамических процессов нестационарной кинетики математика сделалась органическим вплетением в логические основания и химии, и химической технологии. И если в настоящее время учение о химических процессах называют и химической физикой (школа И, Н. Семенова), и физической кинетикой, то цементирующим элементом в системе, которая включала в себя химические и физические представления о химико-технологическом процессе, является скорее всего именно математика. И что особенно интересно и важно — это то, что в этой системе происходит развитие одновременно и параллельно и химических, и физических, и технических, и математических знаний. Дело в том, что решение кинетических задач оказалось невозможным в рамках классической теории дифференциальных уравнений. Сложный нелинейный характер протекания химических процессов выдвинул ряд новых задач, решение которых обогатило собственно и математику. В последние несколько лет создалась новая дисциплина, пограничная между математикой и химией, а фактически между математикой и теорией химической технологии, которая призвана решать задачи химии в основном в связи с созданием промышленного химического процесса, — математическая химия, призванная служить надежным теоретическим основанием учения о химических процессах. [c.163]

На смену такого рода перманентным эмпирическим поискам пришли теоретические методы, первым из которых следует назвать моделирование на основе теории подобия. И хотя этот метод подвергался критике за то, что он учитывал лишь одни физические факторы работы реакторов, пользу, которую он принес хотя бы как один из этапов на пути к современным системным методам масштабного перехода, отрицать невозможно. [c.273]

Современным подходом к изучению таких сложных, многомерных и взаимосвязанных систем, в которых протекают процессы физической, химической и биохимической природы, является системный анализ с применением методов математического моделирования для описания количественных закономерностей на всех уровнях иерархии системы. В первой монографии Моделирование биохимических реакторов данная методология была развита [c.3]

Таким образом, уровень смешения жидкости существенным образом влияет на протекание химических и биохимических реакций, что необходимо учитывать при моделировании и расчете процессов. В общем случае реактор с раздельным вводом реагирующих компонентов и промежуточным режимом смешения может быть представлен структурной схемой, изображенной на рис. 3.7. Уровень смешения реагентов в реакторе характеризуется в данной модели параметром микросмешения а, который определяет время, требуемое для смешения потоков на молекулярном уровне. Величины а могут различаться для различных поступающих в реактор потоков, если существенно различны их физические свойства. Величина г-го потока, поступающего в зону микросмешения, составляет [c.119]

Пример 1Х-5. Моделирование процесса разложения в трубчатом реакторе. Для того чтобы использовать методы математического моделирования для оптимального проектирования химико-технологических установок или нахождения оптимальных режимов проведения процессов, необходимо располагать уравнениями, описывающими гидродинамику, тепло- и массопередачу и кинетику химических реакций, протекающих в изучаемой физической системе. [c.196]

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]

Впервые моделирование было использовано в аэро- и гидромеханике [4-7]. С этой целью была развита теория подобия, основанная на физическом моделировании, в котором природа процесса и модели одинаковая. В химической технологии физическое моделирование широко используют для изучения тепловых и диффузионных процессов [8]. В химическом реакторе протекают химические реакции, и происходит перенос тепла и вещества. Их взаимное влияние и результаты процесса зависят от размера и типа реактора. Поэтому для изучения химических процессов и реакторов теорию подобия [9, 10] применяют весьма ограниченно [11-13]. Для изучения этих процессов используют преимущественно математическое моделирование [11-16], поскольку оно позволяет тождественными уравнениями описывать свойства процесса различной природы. Математическая модель может быть знаковой, представленной уравнениями, и реальной, представленной физическим объектом, как правило ЭВМ. В дальнейшем под моделью подразумевается знаковая или реальная математическая модель, адекватно отражающая физико-химические превращения и явления переноса тепла и вещества в изучаемом процессе и используемая для масштабного перехода. Статистические модели, описывающие процесс как черный ящик , для этой цели не пригодны. [c.5]

Моделирование химико-технологических процессов и реакторов необходимо осуществлять прн проведении исследований, на стадии проектирования производств и для оптимизации работы (определения оптимальных параметров технологического режима) действующих аппаратов и установок. При организации нового производства моделирование связывает исследовательскую работу с проектной, позволяя переходить от лабораторного исследования к производственному осуществлению процесса. Моделирование какого-либо физического явления, в том числе и химико-технологического процесса, — это осуществление явления, подобного прототипу (образцу). Подобными называются такие явления, для которых соотношения сходственных, характеризующих их величин постоянны. [c.29]

Главное внимание уделено методике составления математических моделей, дана физическая интерпретация процессов, рассмотрены составление основных уравнений, выбор граничных и начальных условий, качественный и количественный анализ типов моделей и правомерность применения их к процессам в реакторах с различным конструктивно-технологиче-ским оформлением. Такой подход к изложению основных положений математических моделей дает возможность более осмысленно подойти к пониманию их суш ности и исключает формальное применение в практике математического моделирования. [c.5]

Добиться полного подобия модели и образца удается в немногих простых случаях. Как правило, когда в аппарате проходит одновременно несколько элементарных процессов, условия подобия некоторых из них могут быть противоречивы. В таких случаях применяется приближенное моделирование. Оно основано на соблюдении условий подобия только наиболее важных процессов и соответствующих им полей физических величин (например, в реакторе — подобие химических превращений и полей концентраций реагентов). При повышении масштаба обычно приходится отказываться от геометрического подобия и довольствоваться геометрически родственными системами. Правильное осуществление приближенного моделирования также позволяет определить количественно ход процесса в большом масштабе, однако приходится считаться с тем, что при слишком большом расхождении масштабов может вoзникнytь значительная разница между моделью и образцом, обусловленная не учтенными нами явлениями (так называемые эффекты повышения масштаба). Иногда эти эффекты так велики, что ограничивают диапазон использования метода моделирования повышением масштаба всего лишь в несколько раз. [c.444]

Как было отмечено Кафаровым [47], механизм физических процессов в технологических аппаратах чрезвычайно сложен и позна-нпе его требует создания Йоделей. В химическом реакторе имеют место три уровня физического моделирования. Прежде всего, исследователь сталкивается с необходимостью описания элементарных физических процессов, например, диспергирования, движения капель или пузырей, механизма межфазного обмена и т. п. Далее речь идет об описании коллективного эффекта, т. е. усреднения скорости физических процессов. Наконец, необходимо описать воздействие конструктивных особенностей аппарата и параметров процесса на усредненную скорость физических процессов. Следует, однако, отметить, что принципиально возможно описать воздействие конструкции аппарата и параметров процесса на элементарные физические процессы и лишь после этого проводить усреднение их скоростей. [c.23]

Разработка химических реакторов л1етодом математического моделирования основанная на всестороннем изучении и познании технологического процесса, требует совместных усилий специалистов в области химии, физической химии, химической технологии, химической аппаратуры, математики, вычислительных машин, экономики и автоматизации и участие различных коллективов научно-исследовательских и проектных организаций, опытных заводов, химических и машиностроительных предприятий. Поэтому необходимы целенаправленная деятельность специалистов и определенная последовательность работ [c.462]

В последнее время предпринята попытка объяснить возникновение в слоях катализатора крупномасштабных гидродинамических неоднородностей более глубоким (но радиусу) влиянием стенки на пористость слоя [18, 34, 58—61]. Исследования для неподвижного слоя [62] свидетельствуют о том, что изменение пористости не локализуется у стенки, а распространяется в зону слоя толш иной до 100 диаметров частиц. В работе [63] область влияния стенки оценивается в 40—100 диаметров частиц, измерения полей скоростей за слоем в [64] показали, что изменение пористости частиц по радиусу стенки распространяется более чем на 15 диаметров зерен. В работе [60] с учетом ряда физикомеханических свойств катализаторов и шероховатости стенки емкости расчетами получено, что для связных частиц влияние ее находится в пределах 15, а для несвязных — в пределах 30—40 диаметров. Анализ работы промышленных реакторов процесса дегидрирования олефиновых углеводородов показал, что скорость газа в центре реактора приблизительно на 45% ниже, чем в зоне влияния стенки [59, 65, 66]. Наибольшая сходимость )езультатов физического моделирования получена в работах 46-48, 67]. [c.35]

Создание единой для большого числа процессов и аппаратов математической модели, отражающей физическую сущность явления, невозможно без выявления истинных закономерностей осуществляемых физико-химических превращений. Вместо подгонки диффузионных моделей с эффективными, т. е. дающими похожий на конечный результат ответ, коэффициентами под единичные эксперименты, надо направить усилия на изучение определяющих этот комплексный ответ отдельных факторов, таких как структура слоя катализатора, глобальная и локальная гидродинамика смеси, тепло- и массоперенос, кинетика гетерогенных химических реакций. Основу этого изучения по каждому из указанных разделов должно составлять целенаправленное экспериментальное обследование во всем интересном для практических приложений диапазоне изменения определяющих параметров с последующей фиксацией физических закономерностей или критериев нодобпя исследуемого яв.пения. На первом этапе изучения отдельных влияющих па работу химических реакторов факторов, кроме изучения кинетики химических реакций, остается реальной идея физического, в том числе и масштабного, моделирования с применением вычислительной техники, при этом должно быть обеспечено соответствие теоретических моделей экспериментальным данным. На втором этапе описания работы химических реакторов общая математическая модель будет получена сложением отдельных составляющих процесса. Основным будет выбор частных видов общей модели, отвечающих конкретным практическим случаям, и их численный расчет с учетом всех влияющих факторов. [c.53]

При осуществлении процесса в неподвижном слое катализатора невозможно одновременно удовлетворять условиям физического и химического подобия. Однако в случае автомодельного режима относительно одних из указанных условий можно исключить последние из математической модели реактора. Так, для химически подобных процессов, протекающих во внешнедиффузионной области, применимы методы физического моделирования. При организации автомодельного режима относительно физических условий можно использовать модель идеального вытеснения, согласно которой процесс в слое идентичен процесссу в отдельнс зерне катализатора. [c.73]

При математическом моделировании химических реакторов в качестве одной из основных характеристик используют коэффициент турбулентной диффузии, или коэффициент продольного леремешивания По физической сущности он представляет [c.19]

Иерархическая структурная схема БТС в зависимости от степени ее детализации может охватывать большое число уровней, начиная от ферментативных реакций на уровне отдельных клеток и кончая уровнем функционирования целых подсистем, например ферментация, разделение микробиологических суспензий и т. д. Однако количественный анализ такой структурной схемы в целом с использованием методов математического моделирования представляет собой сложную задачу. С практической точки зрения более эффективно при анализе системы выделить в иерархической схеме ближайшие уровни, описывающие поведение основных подсистем и элементов БТС. Элементами БТС являются условно неделимые единицы — технологические аппараты, в которых осуществляется целенаправленное протекание технологических процессов физической, химической или биохимической природы. К таким аппаратам относятся инокулятор — аппарат для получения засевной биомассы микроорганизмов биохимический реактор — аппарат для проведения процесса микробиологического синтеза флотаторы, центрифуги, сепараторы — аппараты для разделения микробиологических суспензий и др. [c.18]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология