Перейти на главную страницу
МУСАБЕКОВА ЛЕЙЛА МУХАМЕДЖАНОВНА
05.17.08- Процессы и машины химических технологий
Работа выполнена в Южно-Казахстанском государственном университете
имени М.Ауезова Министерства образования и науки Республики Казахстан.
Научные консультанты: доктор технических наук,
профессор Ескендиров Ш.З.,
доктор технических наук,
профессор Оспанова А.О
Официальные оппоненты: д.т.н., профессор Серманизов С.С., д.т.н., профессор Акынбеков Е.К.,
д.т.н., профессор Закиров С.Г.
Ведущая организация: Таразский государственный
университет им М.Х. Дулати
Защита состоится 27.12.2010г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д.14.23.01 при Южно-Казахстанском Государственном университете имени М.Ауезова в ауд. 342 главного корпуса по адресу: 160012, Шымкент, пр. Тауке-хана, 5.
Автореферат разослан «___» ____________2010г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д14.23.01,
доктор технических наук, профессор Волненко А.А.
вВЕДЕНИЕ
Основной целью расчета и проектирования химико-технологического аппарата является достижение необходимой степени превращения веществ и поддержание стандартных характеристик качества конечного продукта при умеренных энергетических затратах. В общем случае решение этой глобальной задачи связано с идентификацией и оптимизацией параметров динамических режимов работы химических реакторов. В нашей работе выделены следующие основные аспекты анализируемой проблемы.
1. Ситуация неполноты информации о кинетических характеристиках процесса. Поскольку ситуация неполноты информации о процессе весьма обычна при проектировании промышленных аппаратов, необходимо обеспечить достаточную надежность процесса моделирования и расчета хотя бы по ключевым характеристикам, определяющим режимные переходы в системе. Поэтому, уже на этой стадии исследования, неполнота информации о кинетических и других характеристиках не позволяет воспользоваться в целом стандартными методами теории подобия.
2. Определение стационарных состояний процесса, анализ их устойчивости и расчет контрольных параметров динамических режимов. Как уже отмечалось, оптимальные с точки зрения достижения необходимой конверсии и энергетической эффективности процесса режимы могут располагаться в окрестности неустойчивых стационарных точек системы. Определение таких режимов приобретает особую актуальность в связи с первой отмеченной проблемой неполноты информации о кинетике.
3. Проблема масштабного перехода при расчете промышленных химических аппаратов и реакторов. Эта проблема приобрела в настоящее время новое значение, поскольку появились новые подходы и методы масштабирования технологических процессов. Определились также взаимосвязи между традиционными подходами к моделированию реакторов и проблемами масштабирования. В условиях эксплуатации аппаратов в динамических режимах эта проблема тесно связана с двумя ранее отмеченными, т.к. известные подходы здесь оказываются не адекватными.
Таким образом, диссертационная работа посвящена разработке методов расчета реакционно-диффузионных процессов в химических реакторах с учетом отмеченных выше аспектов и моделированию химико-технологических аппаратов в условиях неполной информации о процессе с использованием современных подходов и получения оценок масштабирования.
Формирование динамических режимов в условиях неполноты информации и установление основных закономерностей массопереноса в химических аппаратах является актуальной научной задачей, имеющей также практическое значение для поиска новых путей интенсификации технологических процессов в реакционно-диффузионных системах.
При расчете и проектировании химических аппаратов, особенно аппаратов большой единичной мощности, из данных, полученных на малогабаритных лабораторных стендах, возникает проблема обеспечения необходимой эффективности их работы и достижения заданной конверсии при поддержании заданного режима работы. Данная проблема возникает, поскольку эффективность химических аппаратов имеет тенденцию уменьшаться с увеличением габаритов.
Реагенты, участвующие в тепломассообменных процессах в аппаратах химической технологии часто находятся в различных фазовых состояниях и представляют собой континуум сплошных и дисперсных фаз. На практике моделирование структуры потоков дисперсной фазы представляет собой методологические трудности, поскольку при диспергировании фаз большую роль начинают играть стохастические факторы. Действительная картина потоков является слишком сложной для корректной постановки начальных и граничных условий. При этом структура потоков не описывается адекватно ни одной из стандартных моделей: идеального вытеснения, смешения или диффузионной. Особые трудности расчета связаны с подвижными границами кинетических зон и возникновением подвижных автоволновых разделов.
Поскольку структура потоков существенно изменяется при изменении габаритов аппарата и соотношений нагрузок по фазам, поэтому известные методики моделирования сложно использовать при проектировании промышленных аппаратов. Все отмеченные обстоятельства определяют актуальность поставленных в диссертаций задач исследований.
Работа выполнялась в соответствии с тематическим планом научно-исследовательских работ ЮКГУ им. М. Ауезова – Б-НГ-06-05-03 «Разработка методологии проектирования, конструирования и расчета высокоэффективных аппаратов и устройств общепромышленного назначения» на 2006-2010 гг.
Единство работы обеспечивают общие подходы к решению сформулированной проблемы, основанные на использовании методов математического моделирования химических аппаратов и реакторов, процессов переноса тепла и массы в реагирующих средах с использованием численных экспериментов.
В основе математических моделей, описывающих структуру потоков и режимы работы химических реакторов лежат уравнения механики сплошных сред, тепло- и массопереноса, неравновесной термодинамики и химической кинетики. При описании явлений на межфазных поверхностях использовались методы гидродинамической теории устойчивости. Чтобы учесть влияние химических реакций на интенсивность процессов переноса в реакторе используется пленочная модель, описанная Шервудом и др.
Методики моделирования процессов тепло- массопереноса в химических аппаратах с анализом множественности и устойчивости стационарных режимов в условиях неполной информации о кинетических закономерностях и отдельных стадиях процессов, что может быть использовано при проектировании инновационных технологических процессов и соответствующего оборудования, в практике инженерных расчетов и оптимизации химических реакторов в проектных и научных учреждениях.
- формулировка основной идеи работы и постановка задач исследований;
- методы приближенно-аналитического решения уравнений реакционно-диффузионных процессов в системах с подвижным фронтом реакции;
- методы приближенно-аналитического решения уравнений тепло - и массообмена в неизотермическом трубчатом химическом реакторе;
- методики расчетов реакционно-диффузионных процессов и аппаратов;
-анализ экспериментальных данных и проверка адекватности моделей и методов расчета;
- формулировка выводов и рекомендаций по практическому использованию результатов диссертации.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении дана оценка современного состояния решаемой научной проблемы, изложены основание и исходные данные для разработки темы, обоснована необходимость проведения данной научно-исследовательской работы. Приводятся также сведения о планируемом научно-техническом уровне разработки, сведения о патентных исследованиях и метрологическом обеспечении работы. Изложены актуальность темы диссертации, цель работы и ее практическая ценность, показана научная новизна результатов диссертации.
Первый раздел диссертации посвящен закономерностям процессов переноса тепла и массы в химических аппаратах с подвижными фронтами раздела кинетических зон, дан обзор имеющихся экспериментальных результатов и их интерпретация. На основе проведенного анализа дана обоснованная постановка задач исследования.
Во втором разделе диссертации разработаны модели автокаталитических реакторов с учетом минимума необходимой информации о кинетике отдельных стадий реакции. Определены условия возникновения переходных режимов и нестабильности стационарных состояний. С ситуацией неполноты информации о процессе инженеры-проектировщики сталкиваются весьма часто. Поэтому предлагаемая постановка задачи актуальна и имеет практическое значение. Рассмотрены два случая.
Случай 1. Реакция псевдопервого порядка. В химическом аппарате осуществляется превращение основного сырьевого продукта в целевой продукт
. При этом концентрации других компонентов процесса не принимаются во внимание, что обосновывается их избытком в рабочем объеме аппарата. Кинетическое уравнение для скорости производства продукта
представим в виде:
В случае нечетного порядка реакции по веществу стационарная точка является неустойчивой и может иметь тип либо седла, либо неустойчивого фокуса. Вторая ситуация также соответствует сильному автокатализу реакции продуктом
.
Случай 2. Реакция второго порядка с автокатализом. Разработана методология анализа устойчивости реакционной автокаталитической системы второго порядка при отсутствии детальной информации о кинетических константах стадий реакции. В качестве модельной рассмотрена следующая схема:
;
(7)
Стационарное состояние 1.
Стационарное состояние 2.
Рисунок 1- Диаграмма стационарных состояний системы второго порядка
с автокатализом
Таким образом, можно сделать вывод, что инженерный анализ поведения химических систем в реакторе в окрестности стационарных состояний может быть проведен даже при отсутствии полной информации о кинетике процесса. Показано, какие факторы при этом должны приниматься во внимание.
Предложен упрощенный подход к моделированию неизотермического проточного реактора с перемешиванием, который позволяет существенно ускорить поиск оптимального режима процесса при меньших требованиях к информационному содержанию исходных данных. Анализ и сопоставление известных экспериментальных данных позволяет сделать вывод о том, что учет нестационарности процесса является весьма принципиальным. При этом определяющим параметром является число Дамкелера, которое в диссертации предлагается рассчитывать с учетом неидеальности системы по формуле:
, (20)
где - характерная температура.
Балансовые уравнения для неизотермического проточного реактора записаны в безразмерном виде для общего случая реакции n-го порядка:
где
На рисунке 2 показаны некоторые результаты численного эксперимента, проведенного для исследования взаимосвязи между безразмерной концентрацией и безразмерной температурой в реакторе при разных безразмерных энергиях активации.
Из графиков видно, что не только характер зависимости, но и численные значения изменяются при изменении энергии активации. Это говорит о достаточно высокой степени универсальности модели. В итоге удается получить общее уравнение, описывающее установившийся режим работы реактора:
(24)
В случае экзотермической реакции (в частности при полимеризации стирола) получаем условие существования единственного устойчивого стационарного режима. Таким образом, анализ упрощенной нестационарной модели позволяет выделить область существования единственного устойчивого стационарного режима в терминах двух параметров: безразмерной энергии активации и безразмерного тепловыделения.
Рисунок 2- Зависимость безразмерной концентрации
от безразмерной температуры при 1- , 2-
Официальные оппоненты: д т н., профессор Серманизов С. С., д т н., профессор Акынбеков Е. К
14 12 2014
4 стр.
Именно так обстоит дело в области атомных, химических и других экологически опасных технологий, в сфере транспорта. Аналогично обстоит дело и с информатизацией общества
23 09 2014
16 стр.
Зав кафедрой "Процессы, машины и аппараты химических производств" Кузбасского государственно технического университета д-р техн наук проф. П. Т. Петрик
02 09 2014
13 стр.
Термохимия – раздел термодинамики, изучающий тепловые эффекты химических реакций и фазовых переходов
12 10 2014
1 стр.
Знаки, обозначающие правила техники безопасности при выполнении химических опытов, и их расшифровка
17 12 2014
1 стр.
Защита состоится 30 июня 2010г в 14-00 часов на заседании диссертационного совета д 14. 23. 01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М. О. Ауезова по адресу: 1600
25 12 2014
1 стр.
Ечивающих стабильную работу агропромышленного сектора. Поэтому перед научными и производственными работниками стоят задачи создания и освоения прогрессивных процессов с применением
18 12 2014
1 стр.
Защита состоится «29» ноября 2010 г в 1400 часов на заседании диссертационного совета д 14. 23. 01 при Южно-Казахстанском государственном университете им. М. О. Ауезова по адресу:
15 10 2014
1 стр.