На головну

МЕТОДИ ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ

  1.  Fast Ethernet і lOOVG-AnyLAN як розвиток технології Ethernet
  2.  I. Методи перехоплення.
  3.  II. Методи несанкціонованого доступу.
  4.  II. Методи патогенетичної і етіологічної (особистісно орієнтованої) психотерапії
  5.  III. Методи агрегатування і уніфікації.
  6.  III. Методи маніпуляції.
  7.  Internet та інформаційні технології

1.10.1. Методичні основи хімічної технології як науки

Створенню будь-якої технології передують дослідні роботи, які дають можливість розробити спосіб отримання певної речовини, вивчити теоретичні закономірності процесу, визначити його оптимальні параметри на невеликих лабораторних установках. Далі виникає проблема реалізації процесу в промисловості. Зібрана до цього інформація про процес найчастіше є недостатньою для розробки проекту промислової установки, оскільки поодинокі стадії процесу по-різному реалізуються в лабораторних і промислових умовах. Крім того, промислова установка повинна мати різноманітне обладнання, яке не застосовується в лабораторній практиці, оскільки виробництво вимагає зберігання і транспортування великих мас речовин і передачу великих кількостей енергії. Очевидно, що для правильного проектування промислової установки слід поступово дослідити процес на проміжних установках в зростаючому масштабі і, крім експериментів, виконувати проектні розрахунки і економічно оцінювати процес. Переважно випробування технології між лабораторної та промислової установками здійснюють на збільшеній лабораторної, напівпромислової і дослідно-промислової установках. Чим складніша процес, тим докладніше повинні бути "кроки" до впровадження його у виробництво. Перевагою цього випробуваного практикою методу є отримання надійних і повних даних для проектування промислового виробництва, недоліками - велика тривалість експериментальних і проектних робіт і висока вартість впровадження процесу в виробництво. Велика тривалість доведення технології до її впровадження за цим методом завжди створює небезпеку, що під час впровадження вже відпаде гостра потреба саме в цьому хімічному продукті або ж сама технологія, яка впроваджується, вже застаріє.

У сучасних умовах швидкого розвитку хімічної технології виникає нагальна потреба швидкого доведення розробленого процесу до промислового впровадження. При цьому зазвичай прагнуть різко скоротити кількість вищезазначених проміжних етапів.

Багато окремі стадії технологічного процесу (подрібнення, теплообмін, ректифікація, фільтрування і т. П.) Вивчені настільки повно, що на підставі лабораторних досліджень можна без особливого ризику відразу ж розраховувати промислові апарати, при цьому відпадає необхідність дослідити ці стадії процесу на збільшеній лабораторної та напівпромислової установках. Інші ж стадії (зокрема, гетерогенні хімічні процеси) вимагають для свого проектування вивчення їх на всіх проміжних установках.

Ідеальним було б таке проектування, за яким можна було б реалізувати промислове виробництво, використовуючи дані лише лабораторних досліджень. Для вирішення цього завдання в останнім часом успішно використовують два основні методи хімічної технології - моделювання і системний аналіз.

1.10.2. Поняття про моделі і моделювання

Моделювання хіміко-технологічних процесів здійснюється під час їх дослідження, на стадії проектування нових виробництв і для визначення оптимальних параметрів технологічного режиму діючих апаратів. Воно створює можливість переходу від дослідницької роботи до проектної, від лабораторних досліджень до реалізації процесу в виробничих умовах.

моделювання полягає у вивченні процесів на моделях для розповсюдження їх результатів на апарати цієї ж конструкції але будь-яких розмірів. Досліджуючи закономірності процесу на моделі, визначають параметри і показники цього ж процесу, але в реальних промислових умовах.

Моделлю може служити математичний опис конкретного виробництва або його стадії, т. Е. Система математичних рівнянь, рішенням якої знаходять потрібні величини. Моделлю можуть служити також апарати невеликих розмірів, наприклад, лабораторна установка або окремий лабораторний реактор. Отже, розрізняють модель і об'єкт моделювання, т. е. апарат цієї самої конструкції, але великих розмірів, або ціле виробництво.

Застосовуються різні методи моделювання хіміко-технологічних процесів і апаратів, їх орієнтовно можна розділити на три типи, а саме;

1) математичне моделювання;

2) Фізичне моделювання;

3) Моделювання методом масштабного переходу на підставі певних приватних співвідношень (масштабування).

1,10.3.Математичне моделювання як метод вивчення хімічних процесів і реакторів

Математичне моделювання охоплює ряд послідовних операцій, першої і найголовнішою з яких є відтворення процесу у вигляді математичних залежностей, які пов'язують між собою головні параметри впливу на цей процес з урахуванням граничних умов. На підставі цих математичних залежностей складається алгоритм (програма) рішення отриманої системи рівнянь.

Другий етап математичного моделювання полягає в тому, що за допомогою алгоритму змінюються різні параметри, вибираються оптимальні умови, які забезпечують найбільш ефективний хід процесу (отримання найкращих показників цього процесу - найвищого виходу цільового продукту, найбільшою селективності, найбільших ступенів перетворення сировини і використання енергії та т . п.).

Завершальною операцією математичного моделювання є перевірка відповідності отриманих на моделі значень об'єкта моделювання. Для цього процес здійснюється спочатку на збільшеній установці, а потім і в виробничих умовах по певних на моделі оптимальних параметрах процесу, який служить підставою для порівняння отриманих показників. Якщо ці показники для об'єкта моделювання значно відрізняються від отриманих значень на моделі, вносяться відповідні корективи в модель, і процес знову прораховується за допомогою алгоритму.

Для вирішення складних систем математичних рівнянь застосовується комп'ютерна техніка або електронно-обчислювальні машини (ЕОМ).

Переважно для моделювання лише однієї хіміко-технологічної операції, навіть для визначення оптимального значення одного показника хімічного процесу, потрібно вирішити десятки математичних рівнянь. Наприклад, один з найголовніших показників хімічного процесу - швидкість і - в загальному випадку залежить від температури Т, тиску Р, концентрації компонентів СA, ЗB, ЗD, ... .CR, CS коефіцієнтів дифузії цих компонентів DА, DB, DD... DR, DS , Лінійної швидкості руху потоків wA, wB, wD... wR, wS. їх щільності A, B, D, ... R , S , В'язкості ?A, ?B, ?D... ?R, ?S, А також активності каталізатора А, поверхневого натягу ?, геометричних розмірів апарату, в якому відбувається процес: діаметра Dап, висоти Нап діаметра отворів решітки апарату dреш, висоти насадки апарату Hнас та багато інших. Отже, швидкість хімічного процесу можна виразити як функціональну залежність від зазначених чинників:

u = (T, P, СA, ЗB, ЗD, ... .CR,, CS..., DА,, DB,, DD... DR, DS..., wA, wB, wD... wR, wS...,

A, B, D, ... R , S..., ?A, ?B, ?D... ?R, ?S..., А, Dап Нап dреш Hнас...) (1.10)

Ця залежність розбивається на менші диференціальні рівняння, т. Е. Для знаходження оптимального значення лише одного показника хімічного процесу - швидкості, потрібно вирішити складну багатофакторну систему диференціальних рівнянь. Застосування ЕОМ дає можливість досить швидко це зробити. Проте, складання математичної моделі цілого виробництва - завдання досить складна. Зараз досить повні математичні моделі зроблені лише для деяких добре вивчених хімічних виробництв. Наприклад, моделі виробництва сірчаної кислоти з сірки, розроблені в Японії і Канаді, представляли собою понад 500 систем рівнянь, які охоплювали близько 1000 змінних параметрів. Рішення таких громіздких систем рівнянь навіть на сучасних потужних ЕОМ вимагає величезних витрат коштів і часу і не завжди виправдане. Тому для полегшення вирішення цього завдання попередніми розрахунками встановлюють ступінь впливу кожного параметра і, якщо це можливо, усувають з рівнянь ті параметри, які не мають вирішального впливу. Однак будь-яке спрощення знижує точність отриманих значень показників процесу, т. Е. Знецінює головна перевага методу математичного моделювання - високу точність. Іншою перевагою цього методу є можливість визначати оптимальні значення показників процесу в широких межах зміни параметрів, які часто неможливо здійснити на фізичної моделі через відсутність необхідних конструкційних матеріалів, специфічні умови експерименту і т. П.

Але, крім високої вартості, метод математичного моделювання має ще й інші обмеження в застосуванні, зокрема те, що переважна більшість хіміко-технологічних процесів ще недостатньо вивчені для повного математичного опису, в зв'язку з чим математичне моделювання або повністю неможливо застосувати, або можна використовувати лише частково в сукупності з методом фізичного моделювання.

1.10.4. Фізичне моделювання. Місце і значення експерименту

фізичне моделювання передбачає вивчення хіміко-технологічного процесу безпосередньо на моделі, т. е. в апаратах різних розмірів. При цьому експериментально визначається вплив фізичних параметрів і лінійних розмірів моделі на показники процесу. Експеримент здійснюють безпосередньо на системі, яку досліджують (наприклад, на конкретних реагентах, в певній системі: Г-Ж, Ж-Т, Г-Т, Г-Ж-Т і т. п.), а отримані дослідні дані обробляють складанням критеріальних рівнянь, використовуючи загальний метод подібності або метод аналізу розмірностей. Ступінь впливу кожного параметра визначається експериментально і виражається показниками ступенів біля критеріїв, в які входить цей параметр.

Критеріальні рівняння містять безрозмірні комплекси і симплекси найрізноманітнішого виду. Наприклад, під час моделювання кінетики

процесу часто використовують такі кінетичні критерії: Дамкелера  ; Маргуліса  ; Критерій рівноваги, який для реакції  запишеться так:  ; Аррениуса  та інші. Тут ?- швидкість хімічної реакції; ? - її тривалість; с - концентрація реагенту; до -константа швидкості; w- лінійна швидкість руху реагенту; К - константа рівноваги; cR, cA, cB, - рівноважні концентрації продукту реакції і початкових реагентів наведеної модельної реакції; r, т, п - відповідні стехіометричні коефіцієнти в рівнянні реакції; Е - Енергія активації; R - газова постійна; Т -температура.

Тоді функціональну залежність швидкості процесу від різноманітних параметрів (1.10) можна зобразити, наприклад, таким критеріальним рівнянням:

 (1.11)

де В - коефіцієнт пропорційності;  - Гідродинамічний критерій Рейнольдса, який виражає вплив гідродинаміки на швидкість процесу, l- певний лінійний розмір апарату; ?- динамічна в'язкість середовища;  - Дифузний критерій Прандтля, який враховує вплив дифузії на швидкість процесу; Аrп - вищенаведений кінетичний критерій Аррениуса, який виражає

вплив каталізатора на швидкість процесу через енергію активації Е; симплекс концентрацій початкових реагентів;  - Геометричний критерій, який визначає вплив геометричних розмірів апарату на кінетику процесу.

Безрозмірна форма критеріїв і симплексів, які входять в критеріальне рівняння, дає можливість поширювати застосування цього рівняння на групу подібних процесів, які характеризуються стійкістю показників ступенів a, b, c, d, e в критеріальних рівняннях.

Для впровадження у виробництво нового процесу із застосуванням методу фізичного моделювання необхідно знайти загальний вигляд критеріального рівняння, потім експериментально визначити коефіцієнт пропорційності В і показники ступенів у критеріїв і лише після перевірки на збільшеній установці застосовувати це рівняння в проектуванні.

Необхідно зауважити, що для складних систем і процесів отримують великий набір критеріїв, які іноді стають несумісними. Процес, який досліджується, доводиться відтворювати в кілька етапів і поступово переходити від менших масштабів до великих, закономірно змінюючи лінійні розміри апаратів на підставі методу подібності.

Фізичне моделювання, незважаючи на його доступність і меншу вартість порівняно з математичним, має нижчу точність. Це зумовлюється насамперед тим, що в критеріальною рівнянні шуканий критерій визначається як добуток критеріїв. Насправді ж відповідний показник описується складною системою диференціальних рівнянь, які охоплюють безліч факторів, які впливають. Крім того, в критеріальне рівняння вносяться помилки експериментального визначення В, a, b, c, d, E і т. п .. І врешті-решт, найбільш істотним недоліком методу фізичного моделювання є те, що критеріальні рівняння можна застосовувати лише в тих межах зміни параметрів, які досліджувалися на модельних установках.

1.10.5. Моделювання методом масштабного переходу на підставі певних приватних співвідношень (масштабування)

метод масштабування застосовується переважно тоді, коли немає ні повного математичного опису процесу, ні критеріальних рівнянь. Для моделювання в цьому випадку використовують відповідні технологічні параметри подібних або аналогічних виробництв. Метою масштабування є досягнення в більшому масштабі (на об'єкті) оптимальних умов, отриманих в меншому масштабі (на моделі). При цьому, як і в разі математичного і фізичного моделювання, використовують теорію подібності. Для досягнення повної подібності процесів необхідно дотримуватися геометричного і гідродинамічної подібності, подоби процесів масообміну і теплопередачі, а також хімічного подоби.

Розглянемо два геометрично подібних хімічних реактора, в яких відбувається одне й те саме хімічне перетворення. В обох апаратах реакційні суміші мають однаковий склад і фізичні властивості.

Умовою гідродинамічної подібності є однакове значення критерію Рейнольдса для моделі і об'єкта: Reм= Re0. Подоба процесів масо-і теплообміну вимагає дотримання сталості дифузного і теплового критерію, наприклад, критеріїв Пеклі: (Ре0)г= (Ре0)0. І в кінці кінців, хімічне подобу досягається внаслідок однаковості критеріїв Дамкелера в моделі і об'єкті: . Підставивши необхідні значення технологічних параметрів у відповідні критерії і скоротивши в лівих і правих частинах отриманих рівнянь однакові величини, отримаємо таку систему рівнянь:

За одиницю підвищення масштабу приймемо збільшення об'ємної швидкості потоку реагентів в об'єкті масштабування попорівнянні з моделлю в п раз, т. е. V0 = ПvM або

Вирішивши отриману систему рівнянь, знаходимо

т. е. для досягнення повної схожості моделі і об'єкта масштабування потрібно збільшити в п раз лінійні розміри апарату l, зменшити в стільки ж разів лінійну швидкість потоку реагентів w і в п2 раз швидкість хімічної реакції. Виконати останню умову дуже важко, оскільки швидкість реакції не є незалежною величиною, а являє собою функцію багатьох параметрів (див. Рівняння (1.11)). Крім того, зменшення швидкості є економічно невигідним, оскільки вихід продукту з одиниці об'єму апарату зменшиться теж в п2 раз, а тому, і масштабування методом повної подібності є економічно недоцільним.

Тому на практиці обмежуються частковим схожістю, найчастіше хімічним і тепловим. Отримані при цьому рівняння зміни масштабу матимуть наближений характер, і їх можна застосовувати лише при невеликих значеннях n. Подальше збільшення масштабу зазвичай вимагає зміни конструкції реактора або умов його роботи.

Найкраще масштабується ємнісний реактор з мішалкою за умови протікання в ньому гомогенної реакції і дуже інтенсивного перемішування, яке за характером змішування реагентів відповідає моделі РІС-П. Температура і склад реакційної суміші тоді майже однакові у всьому реакційному просторі і для досягнення однакових швидкостей хімічного перетворення в моделі і об'єкті досить зберегти рівність температур і середнього часу перебування реакційної суміші в них:

ТМ = Т0, ?М= ?0

Перша умова вимагає збільшити кількість теплоти, яка відводиться з реактора за умови ходу в ньому екзотермічної реакції, пропорційно об'ємної швидкості подачі реагентів. Цього можна досягти відповідним збільшенням площі поверхні теплообміну, інтенсивності перемішування або різниці температур між холодоагентом і реакційної сумішшю. Частота обертання мішалки в об'єкті повинна бути обраною так, щоб виконувалася умова щодо ідеального (повного) змішування. Для досягнення повного змішування в моделі тоді достатнім буде встановити одну і ту ж частоту обертання мішалки, яка така ж як і в об'єкті (за умови дотримання геометричного подібності апаратів).

Наприкінці слід зауважити, що масштабування є найменш точним методом моделювання і вимагає великого досвіду і інтуїції від дослідника і проектанта.

 

 




 МІЖГАЛУЗЕВИЙ ХАРАКТЕР ХІМІЧНОЇ ТЕХНОЛОГІЇ |  ОСНОВНІ ПОНЯТТЯ І ВИЗНАЧЕННЯ ХІМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА |  Компоненти хімічного виробництва |  Ієрархічної будови ХІМІЧНОГО ВИРОБНИЦТВА |  КЛАСИФІКАЦІЯ ХІМІЧНИХ ВИРОБНИЦТВ |  технологічні показники |  Економічні показники |  експлуатаційні показники |  соціальні показники |  СИСТЕМА процесів у хімічній РЕАКТОРІ |

© um.co.ua - учбові матеріали та реферати