Гидродинамические модели идеального вытеснения, идеального смешения, диффузионная, ячеечная. Комбинированные гидродинамические м. реферат моделиров. Программа профессиональной переподготовки Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов

• Название: Программа профессиональной переподготовки Химическая технология природных энергоносителей и углеродных материалов
• Анкор: Гидродинамические модели идеального вытеснения, идеального смешения, диффузионная, ячеечная. Комбинированные гидродинамические м
• Дата: 15.10.2019
• Размер: 73.5 Kb.
• Имя файла: реферат моделиров.doc
• Тип: Программа; #90230

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждения

высшего образования

«Уфимский государственный нефтяной технический университет»

ИНСТИТУТ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
Программа профессиональной

переподготовки

«Химическая технология

природных энергоносителей

и углеродных материалов »

Моделирование в химической технологии и расчёт реакторов

Реферат

Гидродинамические модели идеального вытеснения, идеального смешения, диффузионная, ячеечная. Комбинированные гидродинамические модели

Слушатель гр.ТПД (ДОТ) -19-01 А.В. Абдуллин

Проверил Н.А. Самойлов

Уфа 2018

К гидродинамическим моделям прежде всего относятся модель идеального смешения и модель идеального вытеснения. Хотя указанные модели – теоретические и соответствуют идеальным потокам, однако в ряде случаев их можно использовать для характеристики реальных потоков. Кроме перечисленных, к типовым моделям гидродинамических потоков относятся диффузионная, ячеечная и комбинированные модели (потоки с застойной зоной, байпасированием и др.). Диффузионная и ячеечная модели характеризуют реальные потоки. Эти модели при предельных идеализированных условиях переходят в одну из теоретических моделей – идеального вытеснения или идеального перемешивания. Комбинированные модели также представляют реальные потоки в сложных объектах и строятся сочетанием более простых моделей, соответствующих отдельным участкам сложного реального потока.
Гидродинамическая модель идеального смешения.
Модель соответствует структуре потоков в аппарате, при которой за счет интенсивного перемешивания равномерное распределение значений всех параметров системы (температура, концентрация и т.д.) в объеме аппарата, численные значения параметров в любой момент времени во всех точках системы равны, при этом значения параметров на выходе из аппарата равны их значениям в объеме аппарата.

Математическое описание модели идеального смешения имеет вид:

= (P_вх-Р_вых) =(Р_вх-Р_вых),

где Р_вх Р_вых – значение любого параметра системы, например, температура, концентрация компонента основного потока или трассера;τ– время; v– расход технологического потока, проходящего через аппарат; V – объем аппарата; T – среднее время пребывания технологического потока и, следовательно, трассера в аппарате.

Функция отклика модели идеального смешения (концентрация трассера на выходе из аппарата C(t) =ƒ(τ)) на импульсное возмущение, введенное в аппарат в момент времени τ₀ приведена на рис. 1.

Функция отклика модели идеального смешения (концентрация трассера на выходе из аппарата C(τ) =ƒ(τ)) на импульсное возмущение, введенное в аппарат в момент времени τ₀ приведена на рис. 1.

C(τ)

Сырьё




Трассер


а б τ τ
Рис. 1. Схема модели идеального смешения (а) и функция отклика (сплошная линия) на импульсное возмущение (пунктирная линия) (б)
Математическое описание функции отклика C(τ) =ƒ(τ) при импульсном возмущении имеет вид:
C(τ) =exp (-)
Чтобы рассчитать функцию отклика необходимо знать численное значение параметра гидродинамической модели идеального смешения Т.

Моделью идеального смешения достаточно корректно описывается гидродинамика аппаратов с интенсивным перемешиванием – реакторов с мешалками, аппаратов с псевдоожиженным слоем зернистого вещества, барботажных систем. На структурных гидродинамических схемах модель идеального смешения изображается в виде аппарата с мешалкой.
Гидродинамическая модель идеального вытеснения.
Моделью идеального вытеснения принимается поршневое течение без перемешивания вдоль потока при равномерном распределении концентрации вещества в направлении, перпендикулярном движению.

Структура потока в модели идеального вытеснения характеризуется поршневым режимом течения с равным временем пребывания всех локальных струй в аппарате Т и одинаковой скоростью потока в локальных струях W . Фактическое (а не среднее, как в модели идеального смешения) время пребывания

технологического потока и трассера рассчитывается как T=v/V

Математическое описание гидродинамической модели идеального вытеснения составляется на базе материального баланса системы и имеет вид

= -W , где х – координата направления движения потока в аппарате;

W – линейная скорость потока, м/с.

Моделью идеального вытеснения описывается структура потока в реальных трубчатых аппаратах (теплообменники, реакторы, трубчатые печи, трубопроводы), имеющие соотношение длины трубчатого аппарата L к его диаметру D более 100-500 при условии интенсивной турбулизации потока в аппарате. На структурных гидродинамических схемах модель идеального вытеснения изображается в виде прямоугольника.

Несмотря на определенную идеализацию рассмотренных гидродинамических моделей, модели смешения и вытеснения нашли широкое применение в моделировании химико-технологической аппаратуры благодаря простоте их математического описания. Кроме того, эти идеальные модели весьма полезны при предварительном анализе решаемой задачи, в частности, при выборе конструкции реактора для конкретного процесса.

Ячеечная модель
Типовые модели идеального перемешивания, идеального вытеснения, диффузионная модель с определенной степенью точности могут применяться для воспроизведения структуры и гидродинамических свойств потоков в различных аппаратах химической технологии. Однако идеальные модели в ряде случаев неадекватны реальному процессу, а диффузионная модель отличается сложностью. По этой причине для трубчатых и колонных аппаратов, а также для каскадов последовательно расположенных реакторов удобнее представлять реальные потоки в виде так называемой ячеечной модели. Физическая сущность ячеечной модели заключается в том, что движущийся материальный поток рассматривается состоящим из ряда последовательно соединенных ячеек. При этом принимается, что в каждой из таких ячеек поток имеет структуру полного перемешивания, а между ячейками перемешивание отсутствует. Количество предполагаемых ячеек идеального перемешивания n является параметром, характеризующим ячеечную модель реального потока. Если n = 1 ячеечная модель переходит в модель идеального смешения, если n ≤10 – ячеечная модель, а если n → ∞ – в модель идеального вытеснения.

Математическое описание ячеечной модели имеет вид:

= (C_i-1 – C_i) где τ – общее время пребывания потока в системе.
Диффузионная модель.
Диффузионная модель получила широкое распространение при оценке реальных потоков в аппаратах, в которых происходит продольное или продольное и радиальное перемешивание (например, поток в слоях насадки колонных аппаратов). При описании реальных потоков в аппаратах с продольным и радиальным перемешиванием используются диффузионные модели. Перемешивание возникает в результате молекулярной и конвективной диффузии.

Молекулярная диффузия – перенос вещества макро частицами среды, который определяется турбулентностью потока.

Основой модели является модель идеального вытеснения, приближенная к реальным гидродинамическим условиям движения потока в аппарате и учитывающая явление диффузионного перемешивания локальных струй в потоке по длине аппарата, а также наличия обратных потоков в аппарате в связи с вихревым течением локальных струй в потоке. Процесс диффузионного перемешивания характеризуется коэффициентом продольного перемешивания D _L , при этом допускается его постоянство по длине и сечению потока. Математическое описание диффузионной модели с учетом продольного перемешивания имеет вид = - W + D_L

Диффузионная модель хорошо описывает гидродинамику трубчатых аппаратов с отношением длины трубчатого аппарата L к его диаметру D менее 100 и насадочных аппаратов (ректификационных и экстракционных колонн, скрубберов, реакторов с неподвижным и движущимся слоями катализатора). При более детальном анализе диффузионных явлений в аппаратах кроме продольной диффузии учитывается радиальная диффузия в нормальном сечении потока, движущегося в аппарате.

На структурных гидродинамических схемах диффузионная модель изображается в виде перечеркнутого прямоугольника, имитирующего аппарат с насадкой .
Комбинированные модели
Принцип построения комбинированных моделей состоит в том, что исследуемый процесс рассматривается расчлененным на отдельные участки (зоны), соединенные последовательно, параллельно или по схеме с обратной связью, которые отличаются неодинаковой структурой потоков. При этом комбинированная модель представляет собой сочетание математических описаний всех зон, составляющих процесс. В ходе построения комбинированных моделей следует оценить возможность применения для различных участков аппарата математических описаний типовых моделей, а также учесть застойные зоны.

Кроме перечисленных выше структур, при построении комбинированных моделей необходимо учитывать и другие виды течения жидкости (газа), которые могут возникать в реальных аппаратах:

– байпасный поток – часть жидкости (газа), движущаяся параллельно сосуду или некоторой его зоне, в результате чего часть потока попадает на выход аппарата, не претерпевая никаких изменений (проскок части потока).

– циркуляционные потоки (рециклы или обратные потоки) – это всякого рода возвраты потока. Они возникают потому, что часть жидкости (газа), которая выводится за пределы сосуда или определенной его части, возвращается в него снова и затем смешивается со свежими порциями вещества на входе в сосуд или в некоторую его зону.

– струйный поток (проскальзывание) – местный поток, мгновенно переносящий вещество непосредственно из одной зоны сосуда в другую.


Список литературы

1. 
   Закгейм А.Ю. Введение в моделирование химико-технологических процессов. – М.: Химия. – 1982. – 223 с.
   
2. 
   Бондарь А.Г. Математическое моделирование в химической технологии. «Вища школа» - 1973. – 280 с.
   
3. 
   Слинько М.Г. Моделирование химических реакторов. – В сб.: Моделирование и оптимизация каталитических процессов. – М. «Наука». 1965. – 356с.
   
4. 
   Безденежных. А.А. Математические модели химических реакторов. - Киев: Техника, - 1970. – 176с.
   
5. 
   Кафаров В.В. Математическое моделирование основных процессов химических производств. – М.: Высш. шк., 1991. – 400с.
   
6. 
   Бесков В.С. Моделирование каталитических процессов и реакторов. – М.: Химия, 1991. – 256с.
   
7. 
   Бояринов А.И., Кафаров В.В. Методы оптимизации в химической технологии. – М.: Химия. –1971. – 575 с.
   

Размещено