Лекция 9 Моделирование химических реакторов

Центральным аппаратом в любой химико-технологической системе, включающей целый рад машин и аппаратов, соединен­ных между собой различными связями, является химический ре­актор - аппарат, в котором протекает химический процесс. Вы­бор типа, конструкции и расчет химического реактора, создание системы управления его работой - одна из важных задач хими­ческой технологии.

Как и в случае других аппаратов, используемых в химической промышленности (теплообменных, массообменных и др.), для изу­чения, расчета и проектирования химических реакторов применя­ется метод моделирования.

Законы элементарных актов химических превращений не зависят от масштабов эксперимента. Казалось бы, это дает основание непосредствен­но переносить результаты измерений в лабораторных условиях на любые установки. Однако химические превращения всегда сопровождаются процессами переноса реагирующих веществ и продуктов реакции с одновременным выделением или поглощением тепла. На 1 моль превращен­ного вещества выделяются десятки тысяч калорий. Физические процессы сильно зависят от размеров и структуры зерен катализатора, типа и раз­меров реакторов. Поэтому в реакционных аппаратах устанавливается специфическое для данного масштаба распределение концентраций и тем­ператур. Вследствие этого наблюдаемые результаты по скорости и изби­рательности химических процессов сильно зависят от масштабов реактора.

Теория подобия оказывается неприменимой к химическим реакторам, так как гидродинамические, тепловые и химические условия подобия не совместны. При изменении масштабов изменяются гидродинамиче­ский режим, а также режим процессов массо- и теплопередачи, влияющих на химические превращения. Нельзя обеспечить в большинстве случаев условия, при которых физические факторы оказывают одинаковое влия­ние на скорость химической реакции в реакторах разного масштаба.

Химические системы с различными химическими реакциями не являются подобными, так как их невозможно преобразовать одна в другую одним только изменением масштабов, и вопрос о переносе лабораторных данных может рассматриваться лишь в рамках одного химического процесса, одной системы реакций в модели реактора одного типа.

Поэтому физическое моделирование реактора, при котором мы меняем только масштабы и рассматриваем процесс едино в совокупности всех его отдельных стадий, в большинстве случаев также не может быть использо­вано. Применение методов одной только классической теории подобия – средства моделирования гидродинамических, тепловых и отчасти диффузионных процессов – оказывается недостаточным при моделировании химических процессов.

Критерии химического подобия, полученные из дифференциальных уравнений, описывающих химический процесс, приводят к критериаль­ным уравнениям, содержащим 8÷11 критериев, одновременное условие idem для которых становится невыполнимым (обозначение idem означает одно и то же). Поэтому необходим новый путь для отыскания условий переноса результатов исследований с малых моделей на укрупненные промышлен­ные объекты.

Этот путь, лежит в применении метода масштабирова­ния. По этому методу, в лабораторных масштабах ведется исследование химической кинетики в условиях интегрального или дифференциального реактора, с отработкой кинетических зависимостей на компьютерах (АВМ) с использованием современного программного обеспечения (программы симуляторы), и одновременно снимаются макрокинетические характеристики (гидродинамические, тепловые и диффузионные) на пилотной установке, информация с которой вместе с данными по кине­тике отрабатывается на компьютерах (ЦВМ), вклю­ченных в цикл исследований по принципу обратной связи.

Важнейшей задачей в области исследований по химии и химической технологии является максимально быстрое внедрение результатов лабора­торных исследований в промышленность.