Моделирование кинетики с помощью ЭВМ

Изучение скоростей реакций позволяет выяснить истинный механизм протекания сложных химических превращений. Это в свою очередь создает перспективы для нахождения путей управления химическим процессом, т. е. его скоростью и направлением. Выяснение кинетики реакций позволяет осуществить математическое моделирование реакций, происходящ 1х в химических аппаратах, и с помощью электронно-вычислительной техники задачи оптимизации и автоматизации химико-технологических процессов. [c.192]

Общий теоретический анализ кинетики гидролиза целлюлозы и других полисахаридов полиферментными системами с помощью моделирования на ЭВМ позволяет сформулировать необходимые и достаточные условия возникновения синергизма, а также провести оценку масштабов его проявления [115]. При моделировании использована кинетическая схема (3.2), представляющая собой несколько модифицированную схему (3.1) [c.75]

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]

Таким образом, рециркуляция может дать и положительный, и отрицательный экономический эффект. Наличие двух противоположных качеств рециркуляции при практическом осуществлении рециркуляционного химического процесса вызывает необходимость компромиссного решения вопроса о количестве и составе посылаемого иа повторную переработку материального потока, о тех значениях глубины превращения и связанного с ней коэффициента рециркуляции, которые удовлетворяли бы достижению поставленной цели. Решение этой задачи предполагает математическое моделирование процесса с учетом параметров обратной связи и его оптимизацию. Благодаря появлению и развитию различных математических методов оптимизации и применению их в химической технологии задача эта стала разрешимой с помощью ЭВМ уже в 1960-е годы. В этой связи в последние 10—15 лет зарождаются и получают бурное развитие исследования по оптимизации в соответствии с экономическим критерием [57, 58]. Необходимым условием отыскания оптимального варианта является наличие математической модели процесса, представляющей собой систему уравнений кинетики, выражений для скоростей передачи теплоты, уравнений гидродинамики и экономического критерия оптимальности, удовлетворяющего определенным ограничениям. В случае оптимизации рециркуляционного химического реактора его математическая модель включает и уравнения обратной связи. [c.271]

Первое издание настоящей книги вышло в 1947 г. С тех пор макроскопическая кинетика химических реакций развилась в обширную отрасль науки. С ней теснейшим образом связаны такие актуальные научные дисциплины, как теория процессов и аппаратов химической технологии, инженерная химия гетерогенного катализа, физика горения и взрыва, физико-химическая гидродинамика, теория колебательных процессов в химии и биологии, а также новое бурно растущее направление — химическая кибернетика, включающая автоматическое регулирование химических процессов и их математическое моделирование с помощью быстродействующих вычислительных машин. Для всех этих вопросов тематика настоящей книги имеет фундаментальное значение. [c.5]

Описываются исследования предаварийных режимов потенциально опасных процессов на физических моделях — лабораторных и пилотных установках. Эти исследования дают возможность отработать методику эксперимента, обеспечивающую получение информации о нужных параметрах в условиях безопасности, а также установить количественные соотношения параметров предаварийного режима процессов. В этой связи описаны лабораторные и пилотные установки, на которых производились исследования потенциально опасных процессов нитрования и магнийорганического синтеза. На лабораторных установках удается получить качественную картину поведения процесса в предаварийных и даже в аварийных режимах и накопить необходимые данные для конструирования пилотной установки. На пилотных установках выявляются количественные соотношения с учетом требований масштабирования и с обеспечением безопасности. Последняя достигается применением особых методов ( метод искусственного снижения опасности ) и резервированием избыточной мощности защитных воздействий. В книге описаны также методы термоаналитических исследований химических процессов, позволяющие получить необходимые (и обычно отсутствующие у технологов) данные о кинетике процесса. Эти данные крайне необходимы для исследования процессов методами математического моделирования. Параллельное использование действующего объекта, привязанного к ЭВМ, и его модели позволяет максимально приблизить модель к реальности и провести ряд исследований с помощью специально разработанных алгоритмов проверки адекватности модели, оптимизации и других, [c.8]

При решении вопроса о механизме сложного процесса теоретическое и экспериментальное изучение скоростей отдельных стадий или элементарных реакций ( кинетических индивидуумов — по образному выражению Н. А. Шилова) с участием радикалов и молекул является весьма важной кинетической задачей, поскольку в схемы превращений многих соединений различных классов входят отдельные радикальные реакции или даже целые блоки из них. При их помощи составляют или моделируют механизмы сложных химических превращений, необходимые для объяснения изученной кинетики брутто-реакции, наблюдаемого порядка, эффективной энергии активации и концентраций активных проводников химического превращения — радикалов, возникающих в зоне протекания процесса. Если экспериментальное изучение констант скорости соответствующих элементарных реакций по тем или иным причинам затруднено или невозможно, используют эффективные методы расчета кинетических параметров этих реакций. Разумеется, моделирование сложного процесса из отдельных элементарных реакций правомочно лишь тогда, когда реакции протекают независимо друг от друга. [c.214]

Практическая реализация процесса ферментативного гидролиза целлюлозы невозможна без детального изучения его кинетики и создания на данной основе математических моделей, позволяющих предсказывать ход гидролиза в любой момент времени реакции. С помощью математического моделирования можно выявить стадии и факторы, лимитирующие скорость ферментативного расщепления целлюлозы, обосновать оптимальный качественный и количественный состав целлюлазного комплекса, выбрать необходимый тип реактора, что в итоге дает возможность найти оптимальные условия проведения процесса. [c.157]

Со времени выхода в свет первого издания этой книги прошло свыше двух десятилетий. За этот период наука о процессах и аппаратах химической технологии получила значительное развитие. Особенно ярким событием в науке явилось применение метода математического моделирования к анализу и оптимизации процессов химической технологии ири помощи ЭВМ. Этот метод, как известно, позволил значительно развить теорию химических реакторов и обеспечить быстрейший переход от лабораторных исследований к промышленному производству. Использование методов математического и физического моделирования (теории подобия) служит хорошей основой для дальнейшего обобщения экспериментальных данных, особенно в области кинетики основных процессов химической технологии и моделирования химической аппаратуры. [c.7]

Значительно повысится точность определения кинетических параметров сложных фотохимических реакций с помощью дифференциальных уравнений скоростей реакций на молекулярном уровне. Все эти вопросы должны стать предметом дальнейших исследований, Их решение должно существенно изменить положение дел в химической кинетике, математическом моделировании химических реакторов и в других областях, таких как органический синтез, определение кинетических параметров для высокомолекулярных соединений. [c.106]

Переход от изучения кинетики реакции к ее промышленному осуществлению может быть осуществлен с помощью моделирования. Теория моделирования химических процессов в значительной мере основывается на законах кинетики. Для моделирования необходимы подробные и достаточно точные кинетические данные. [c.8]

Полезное введение в методику моделирования дано в монографии [115]. Интересные примеры применения различных методов моделирования публикуются также в литературе по аналитической химии. В частности, в гл. 4 монографии [114] рассматривается использование в исследовании химической кинетики очень популярного и хорошо известного метода Монте-Карло. Авторы публикаций, в которых обсуждаются достоинства метода моделирования, как правило, сами пользуются им. Так, авторы статьи [117] продемонстрировали роль компьютерного моделирования в исследованиях факторов, определяющих оптимальный режим работы высокоэффективного жидкостного хроматографа, предназначенного для препаративного разделения в данном случае при помощи компьютерного моделирования изучалось влияние на элюирование изменения числа теоретических тарелок в хроматографической колонке. Авторы статей [118— 120] интенсивно изучали применение моделирования в дифференциальной импульсной полярографии как выяснилось, в результате моделирования можно предсказать форму полярографического пика и его положение как функции экспериментальных переменных, таких, как высота и длительность импульса и время спада. В этом примере метод моделирования позволяет аналитику осуществить выбор и оптимизацию экспериментальных условий без проведения длительных эмпирических исследований. [c.392]

Оптимальный режим (температура, концентрация, давление, скорости потока и т. п.) определяется кинетикой процесса. Теория показала невозможность физического моделирования каталитических реакций с помощью обычной теории подобия. Вместе с тем достаточное развитие получило математическое моделирование, позволяющее на основании исходных кинетических данных, полученных в лабораторных условиях, рассчитать течение процесса в реакторах промышленного масштаба. Это позволяет значительно сократить путь перехода от лабораторного исследования к промышленной установке, но вместе с тем предъявляет повышенные требования к точности лабораторного изучения кинетики каталитических процессов (влияние концентрации, температуры) [3]. [c.11]

Учитывая указанные трудности, по-видимому, целесообразно при вычислении констант вводить в расчет всю априорную информацию об интервалах их возможных значений, а также о соотношениях между скоростями отдельных реакций, т. е, все те сведения, которыми располагает исследователь, приступая к подробным кинетическим опытам. В работе 183] на примере ряда схем параллельных, последовательных и парал-лельно-последовательных реакций показано, что при привлечении дополнительной информации значительно увеличиваются возможности расшифровки механизма по экспериментальным данным и повышается надежность полученных результатов. Авторам это удалось показать путем моделирования на вычислительных машинах кинетического эксперимента с нормально-распределенной погрешностью и его последующей обработки. Из сказанного можно сделать вывод о том, что математические методы и вычислительная техника не могут в настоящее время без интуиции исследователя полностью решить задачу расшифровки механизма сложных реакций. Однако математические методы могут оказывать и оказывают исследователю большую помощь применяя вычислительные машины, удается из тех же экспериментальных данных извлечь значительно больше количественной информации, чем это может сделать химик-кинетик даже при самом тщательном анализе результатов эксперимента. [c.301]

Таким образом, применение принципа аналогии в расчетных схемах сводится на практике к моделированию свойств одного соединения с помощью другого [90, с. 160]. Этот принцип положен в основу системы корреляционных уравнений в кинетике органических реакций и многих других методов сравнительного расчета, впервые систематизированных и иллюстрированных многочисленными примерами в 50-х годах Карапетьянцем [78]. [c.327]

Теория моделирования развивается сейчас в двух направлениях 1) по пути изучения современных сложных технологических процессов с помощью моделей с анализом влияния отдельных физических параметров и линейных размеров (так называемое физическое моделирование) и 2) по пути исследования математической модели (математического описания) процесса с помощью электронных вычислительных машин (так называемое математическое моделирование) [1]. Оба направления ведут к одной общей цели — к созданию точного метода теоретического и экспериментального исследования сложных высокоскоростных технологических процессов, проводимых при экстремальных значениях температуры и давления, при большом числе взаимодействующих фаз. Точное моделирование должно также учитывать по возможности все внутренние связи отдельных параметров, влияющих на кинетику, и осложняющее влияние протекающих химических реакций, вводить в расчет элементы стохастики (чтобы рассматривать совместно временные и пространственные аспекты процесса). Очевидно, что физическое и математическое исследование процессов химической технологии невозможно осуществить независимо одно от другого. [c.15]

В сборнике рассматриваются кинетика и механизм газофазных реакций обсуждаются новейшие методические приемы исследования элементарных процессов с помощью масс-спектро-скопии, лазеров и электронного парамагнитного резонанса. Описывается механизм цепных реакций окисления, моделирование элементарных реакций в растворах исследуются превращения в твердых телах. [c.2]

Синтез рациональной САУ может быть произведен лишь на основе длительных наблюдений за функционированием действующих очистных сооружений. Однако предпринимается немало попыток изучать структурно-функциональные свойства объекта с помощью математического моделирования. Можно отметить три основных направления, используемых в математическом моделировании технологических процессов вообще и рассматриваемых здесь процессов в частности. При аналитическом методе математическая модель строится на основании всестороннего исследования механизма процесса и составляется нз уравнений материальных и теплового балансов для каждой фазы процесса, а также из уравнений, отражающих влияние гидродинамических факторов и кинетики реакций для каждого компонента. При этом необходимо учитывать коэффициенты диффузии, теплообмена, кинетические константы реакций и т. п. Для определения этих коэффициентов и констант требуется комплекс сложных и точных лабораторных и промышленных исследований. Математическая модель может быть синтезирована также экспериментально. Методами современной математической статистики находят формальное математическое описание процесса в условиях, когда теория процесса разработана недостаточно полно и нельзя дать более или менее точное аналитическое описание. Это новый, кибернетический подход к задаче исследователь устанавливает функциональные связи между входными и выходными параметрами процесса, абстрагируясь от сложных и плохо изученных явлений, происходящих в процессе. Кроме того, существует третий метод составления математических описаний — экспериментально-аналитический, упрощающий задачу определения численных значений параметров уравнений статики и динамики процесса. В этом случае исходные уравнения составляются на основе анализа процессов, наблюдаемых в объекте, а численные значения параметров этих уравне.чий определяются по экспериментальным данным, полученным непосредственно на объекте. [c.169]

В химическом реакторе одновременно протекают процессы массо- и теплообмена и химические реакции, одна из которых — основная (приводящая к получению целевого продукта), а остальные — побочные. Все эти процессы взаимосвязаны, и совместное описание их математическим уравнением или системой уравнений в большинстве случаев является сложной задачей. Для ее решения в проектных организациях должны создаваться специальные группы математического моделирования химических процессов Квалифицированное решение этой задачи с учетом данных кинетики и условий регулирования технологического процесса возможно только при помощи электронно-вычислительной техники и под силу лишь инженерам специального профиля. [c.121]

Предыдущие работы этого раздела затрагивали вопросы прямого моделирования химических реакций по известному механизму и на основе полной информации о кинетике реакции с помощью [c.181]

Производительность аппарата зависит от происходящих в нем физико-химических превращений и его конструкции, т. е. типа реакторов. Однако анализ законов формальной кинетики химического превращения дает лишь общие представления о скорости и не указывает пути реализации процесса в промышленных условиях, т. е. не характеризует тип реактора. Для выбора типа реактора и определения его производительности часто приходится прибегать к экспериментальным исследованиям и переносу результатов эксперимента на промышленные условия. Такой переход от лабораторных или опытно-промышленных условий реализации процесса к заводским осуществляется при помощи моделирования. [c.94]

Комплексные ла бораторные работы показывают логическую последовательность исследование кинетики химической реакции, расчет и исследование реакционной аппаратуры, моделирование, автоматизация процесса до его ведения в оптимальном режиме при помощи УВМ. [c.243]

Н. Н. Грязев с сотрудниками исследовали адсорбционно-структурную характеристику волжских отбеливающих земель, изучили и моделировали процессы адсорбционной и каталитической очистки минеральных масел и бензинов при помощи волжских отбеливающих земель. Для моделирования процесса очистки минеральных масел изучена адсорбция ряда органических кислот из неполярных растворителей на волжских опоках и неорганических адсорбентах. Предложен механизм адсорбции органических кислот из неполярных растворителей. Подробно изучена адсорбция органических кислот из трехкомпонентных растворов. Установлено, что при адсорбции кислот из многокомпонентных растворов сохраняется та же последовательность в адсорбции кислот, которая имеет место при адсорбции из бинарных растворов, но процесс осложняется явлением взаимного вытеснения кислот с поверхности адсорбента. Впервые установлена зависимость адсорбции кислородсодержащих органических соединений на поверхности сорбентов одной и той же химической природы от характера их функциональных групп. Изучена кинетика процесса регенерации масел. [c.272]

В основу изучения кинетики пиролиза углеводородов положены результаты физического моделирования. При этом для изучения отдельных элементарных реакций с помощью моделирования создавались такие условия и использовались такие исходные продукты, при которых изучаемые реакции играют преобладающую роль. [c.76]

Вместе с тем именно в области изучения механизмов регуляции существенно неравновесных процессов клеточного метаболизма были получены важные результаты на основе математического моделирования (см. гл. 1-1У). Описание динамики биологических процессов с помощью дифференциальных уравнений основано на том, что в сущности эти процессы подчиняются законам химической кинетики (см. гл. I). Это означает, что эволюция системы, установление и свойства ее стационарных состояний определяются не статистическими закономерностями, а прежде всего кинетическим характером взаимодействия составных элементов. [c.145]

В стационарных условиях проведения процессов ХВЭ, как правило, короткоживущие частицы находятся в весьма низких концентрациях, недоступных для прямого наблюдения, поэтому были разработаны импульсные методы. Они заключаются в том, что за время, которое существенно меньше времени жизни изучаемой частицы, в систему подается количество энергии, которое генерирует такую концентрацию короткоживущей частицы, чтобы можно было наблюдать ее экспериментально быстрыми физическими методами исследования, например с помощью абсорбционной спектроскопии, люминесценции, комбинационного рассеяния, вольтамперометрии, кондуктометрии, ЭПР и др. Комбинации этих методов и условий проведения процесса позволяет определять такие физико-химические характеристики короткоживущих частиц, как молярный коэффициент поглощения, энергетический и квантовый выходы, времена жизни и константы скорости реакций, константы равновесия, окислительно-восстановительные потенциалы, подвижности в электрическом поле, знак и величину заряда частиц и др. Импульсные методы возбуждения действием света описаны в [172—174], ионизирующего излучения в [175, 176], электрического разряда в [177, 178]. Рассмотрим методы нахождения констант скорости реакций в импульсных условиях при воздействии импульсов света. Следует отметить, что при сложной кинетике для уточнения и нахождения констант скорости реакций целесообразно использовать математическое моделирование (см. разд. 3.10 и 3.12). [c.156]

Существенную помощь как в обработке экспериментальных кинетических данных, так и в математическом моделировании химических реакций и процессов может оказать так называемый анализ чувствительности применительно к уравнениям химической кинетики. Задача состоит в исследовании чувствительности решения задачи Коши к изменению входящих в систему обыкновенных дифференциальных уравнений параметров [c.179]

Вследствие ограниченности времени на проведение исследовательских работ и точности используемых экспериментальных методов, анализ реального механизма сложной химической реакции проводится с помощью различных кинетических схем химического процесса. Поскольку описание физико-химической кинетики является лишь частью моделирования газодинамического или теплофизического процесса в целом, то на практике при решении прикладных задач используются упрощенные (редуцированные или компактные) кинетические схемы. [c.215]

Авторы благодарят И. 3. басину за участие в написании глав 7 и 8 и В. Ф. Лычагина за помощь при написании главы 6, а также своих коллег по отделу кинетики и математического моделирования ВНИИНефтехима за помощь в разработке отдельных вопросов и полезные обсуждения. [c.4]

Методы расчета. Количеств, описание процессов X. т.ос-новано на законах хим. термодинамики, переноса кол-ва движения, теплоты и массы (см. Макрокинетика, Переноса процессы. Турбулентная диффузия) и хим. кинетики. Анализ кинетич. закономерностей единичных процессов, их взаимного влияния позволяет разработать технол. режим, т. е. огттимальную совокупность параметров (т-ра, давление, состав исходной реакционной смеси, природа катализатора), определяющих такие условия работы апп ата или системы аппаратов, к-рые позволяют получить наиб, выход продукта или обеспечить наименьшую его себестоимость. Мат. моделирование, широко используемое при расчетах хим. процессов и оборудования, включает формализацию процесса в виде мат. записи, задание разл. значений режимных параметров системы для отыскания с помощью ЭВМ значения выходных параметров и эксперим. установление адекватности модели изучаемому объекту. Оптимизация работы афегатов осуществляется по экономич. и энерго-технол. показателям. Если прежде при этом стремились достичь макс. результата по одному параметру, напр, получить макс. выход продукта, то теперь требуется оптимизация, включающая учет таких параметров, как энергетич. и материальные ресурсы, защита окружающей среды, обеспечение заданного качества продуктов, безопасность процессов, продуктов и отходов произ-ва. [c.238]

Математическое описание и моделирование химико-техиологи-ческих гетерогенных процессов производится главным образом при помощи метода подобия, с исполь-зова1шем критериев, характеризующих гидродинамику, физические свойства компонентов, равновесие и кинетику процесса. Однако в настоящее вре.мя для количественной характеристики конкретных гетерогенных процессов можно привести лишь более или менее частные критериальные уравнения, применяемые с целым рядом ограничений. [c.161]

В книге впервые систематически изложены метлды математического моделирования непрерывных процессов растворения и выщелачивания. Приведены общие принципы математического моделирования процессов растворения и даны л1етоды расчета этих процессов с помощью электронных вычислительных машин. Детально рассмотрен вопрос об объеме информации о кинетике процессов, необходимом для построения математической модели, и о способах экспериментального пол (чения атдй информации. Специальный раздел посвящен применению математических методов для расчета оптимальных режимов непрерывных процессов. Большое внимание уделено конкретным примерам. [c.2]

Синтез рациональной САУ может быть произведен лишь на основе длительных наблюдений за функционированием действующих очистны . сооружений. Однако предпринимается немало попыток изучить струк-турно-функциональные свойства объекта с помощью математического моделирования. Можно отметить три основных направления, используемых в математическом моделировании технологических процессов вообще и рассматриваемых здесь процессов в частности. При аналитическом методе математическая модель строится на основании всестороннего исследования механизма процесса и составляется из уравнений материальных и теплового балансов для каждой фазь процесса, а также из уравнений, отражающих влияние гидродинамических факторов и кинетики реакций для каждого компонента. При этом необходимо учитывать коэффициенты диффузии, теплообмена, кинетические константы реакций и т. п. Для определения этих коэффициентов и констант требуется проведение комплекса атожных и точных лабораторных и промышленных исследований. [c.279]

Струйное горение. При моделировании практически важных систем (таких как камера сгорания реактивного двигателя, дизельный двигатель или бензиновый двигатель внутреннего сгорания с прямым впрыском топлива) в модель должны быть включены субмодели для всех физических процессов. Как уже отмечалось, все эти субмодели разрабатываются до определенного уровня детализации так, чтобы глобальная модель не требовала слишком больших вычислительных ресурсов. Например, разрушение струи, дробление капель, испарение капель, турбулентное перемешивание, газофазная химическая кинетика и ряд других процессов очень часто описываются при помощи упрощенных моделей, часто называемых глобальными или редуцированными моделями. [c.252]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология