Учебное пособие предназначено для студентов-химиков.
ВВЕДЕНИЕ
Химическая технология - учение о приемах и методах химической переработки сырья в полезные продукты. Прикладной характер химической технологии налагает требования, чтобы вновь создаваемые процессы были более эффективны, чем существующие. "Экономия (сбережение) труда и материала (сырья), а через них времени и сил, составляет первую основу всякого производства, и существо учения о фабрично-заводских производствах совершенно теряет почву, если утрачивается из вида выгодность (экономичность) производства" (Д.И.Менделеев).
В настоящее время подавляющая часть процессов осуществляется с использованием катализаторов, поэтому эффективность всей технологической схемы существенно зависит от того, насколько эффективно протекает каталитический процесс. Этим определяется значение проблемы создания высокоэффективного оптимального надежного управляемого каталитического реактора,
В реакторе протекают сильно нелинейные процессы каталитических превращений, осложненные процессами переноса тепла и массы в зерне катализатора и в объеме реактора, характеризующимися многообразием связей. Поэтому долгое время анализ я особенно синтез всей совокупности процессов в реакторе оставался трудноосуществимым.
Основным методом разработки реактора был метод физического моделирования - создания последовательности аппаратов все увеличивающихся размеров, заполняющих дистанцию между лабораторным и промышленным масштабами. Очевидны недостатки этого
я
подхода. Глобальный характер эксперимента мало что добавляет к познанию внутренней сущности процесса, пассивно отражая лишь "влияние масштаба". По мере возрастания единичной мощности реакторов возрастает и количество промежуточных ступеней, что растягивает сроки освоения нового процесса и находится в противоречии с тенденцией к сокращению сроков морального старения разработок в области химической технологии.
Более естественный подход (анализ элементарных процессов, протекащих в реакторе, раздельное исследование выделенных процессов и явлений, описание связей между отдельными элементами, последующий синтез совокупности процессов в виде системы уравнений с последующим их решением и выведением свойств системы из свойств составляющих ее элементов и способов их связей) встречает трудности на пути описания всего многообразия процессов и решения сложной системы уравнений. Преодоление этих трудностей шло по пути создания моделей, вначале простых, а затеи все более сложных.
Существенной чертой метода моделей является то, что на стадии анализа исследуемых процессов и явлений не доходят до представлений на атомарном уровне, а выделяют укрупненные структурные элементы, которые считают первичными (например, представления о квазигомогенности, о взаимопроникающих континуумах, об эффективной диффузии и теплопроводности и др.). При таком огрублении оказывается возможным составить приемлемые по степени сложности уравнения материальных и тепловых балансов и решить их (как правило, с использованием ЭВМ). Степень детализации ыа стадии анализа может быть различной; этим определяется многообразие моделей, а также постановка специфического для моделирования вопроса: какие стороны, свойства, особенности изучаемого явления следует отразить в модели, а какие можно опустить? Характер идеализации "зависит от того, на какие вопросы желательно получить ответ" /9/.
Применение этого мощного методологического принципа позволяет в первом варианте получить приемлемое описание, удобное для исследования на ЭВМ. В последующем совокупность вопросов, на которые желательно получить ответ с помощью модели, увеличивается, изменяется и набор существенных факторов, включаемых в математическую модель. Для одного и того же объекта
(например реактора) может быть составлено несколько моделей.
Появление детальной модели не означает, что более простая модель должна быть отброшена. Анализ детальной модели позволяет очертить ранее неизвестные границы применимости более простой модели, в рамках которых она дает удовлетворительные результаты, сохраняя большую простоту и удобство использования. Таким образом получается иерархия моделей. Некоторые модели оказались исключительно плодотворными и приложимыми к широкому кругу явлений. Таковыми являются диффузионная модель и два ее крайних случая - модели смешения и вытеснения.
При построении математической модели роль глобального эксперимента существенно уменьшается. Основное значение приобретают эксперименты, в которых изучаются отдельные стороны явления, например диффузия вещества внутрь зерна, тепломассообмен потока с зерном катализатора, размытие порции меченых частиц вдоль реактора, теплообмен со стенкой, равномерность укладки зерен в объеме реактора, влияние масштаба аппарата на поле скоростей газа и т.д. Решающее значение приобретает исследование кинетических закономерностей протекания каталитической реакции в условиях, гарантирующих отсутствие ограничений в подводе реагентов и отводе продуктов и тепла реакции.
Достаточно подробно методология построения математической модели реактора и его исследования изложена в цикле лекций, читавшихся М.Г.Слинько в Н1У /I/, - первом в нашей стране курсе по математическому моделированию каталитических реакторов. Другие авторитетные пособия, освещающие данный предмет или отдельные его стороны, приведены в библиографическом списке в конце настоящего учебного пособия /2-II, 14, 15, 18, 19/.
При изложении материала, значительная часть которого получена путем расчетов на ЭВМ, возникает следующая ситуация, хорошо описанная Г.Швабом: "Между ясной посылкой и результатом лежит хаос (машинные вычисления), и мы не можем утверждать более, что перед нашим духовным взором лежит обозреваемая цепь умозаключений". Иначе говоря, опускается вся цепь умозаключений между постановкой задачи и ответом в конце задачника, к которому духовный взор и обращается, оставляя хаос в понимании.
Преодоление этой трудности видится на пути детального анализа простых ситуаций, моделей, в которых в чистом виде проявляются наиболее интересные явления, т.е. на пути применения методологии моделирования к изложению материала. Такими простыми моделями являются модели смешения и вытеснения и их ближайшее обобщение - так называемая диффузионная модель.
Эти модели сыграли значительную роль в становлении математического моделирования и сохранили свое значение до сих пор.
Исторически первое должно быть и логически первым. Это известное выражение подавляет искушение сэкономить на изложении простых моделей, которые содержатся в более полной как частные случаи. Для дальнейшего изучения предмета рекомендуются руководства, приведенные в библиографическом списке.
Оглавление
Введение...................3
Глава I . Реактор идеального смешения .... 7
§ I. Уравнения материального и теплового баланса 7 § 2. Стационарный режим при заданной температуре II § 3. Реакция первого порядка в реакторе смешения 18 § 4. Динамика процессов на неравновесном катализаторе....................34
Глава П . Реактор идеального вытеснения ... 37
§ 5. Уравнения материального и теплового баланса 37
§ 6. Оптимальный профиль температур ....... 41
§ 7. Адиабатический реактор ........... 46
§ 8. Параметрическая чувствительность...... 50
§ 9. Отравление катализатора .......... 53
Глава III . Диффузионная модель........55
§ 10. Уравнения материального и теплового баланса 56
§ II. Оценка параметров модели .......... 60
§ 12. Зерно катализатора.............71
§ 13. Анализ диффузионной модели каталитического
реактора..................76
Библиографический список... 80
Цена: 150руб.
