- •Санкт-Петербургский государственный горный институт
- •Раздел 3.2 .Модель идеального вытеснения. 40
- •Раздел 3.4. Диффузионная модель 47
- •Раздел 5. Синтез моделей технологических объектов на базе их гидродинамических моделей и уравнений химической кинетики. 125
- •1. Введение. Основные понятия систем
- •1.1.Очень большая система
- •1.2.Общая структура сложных объектов систем и основные этапы моделирования.
- •1.2.1.Формализованное описание.
- •1.2.2.Математическое описание.
- •1.2.3.Моделирующий алгоритм.
- •2. Общие принципы и этапы построения математических моделей систем.
- •2.1. Структурный анализ и структурный синтез сложных технологических систем
- •2.2. Обобщенная структурная модель металлургического процесса.
- •3. Модели структуры потоков для технологических объектов.
- •3.1 Модель идеального перемешивания.
- •Применение преобразования Лапласа для анализа математических моделей.
- •Раздел 3.2 .Модель идеального вытеснения.
- •3.3. Ячеечная модель аппарата
- •Раздел 3.4. Диффузионная модель
- •Стационарный метод определения критерия Пекле.
- •3.5.Комбинированные модели
- •3.5.1.Модель с застойной зоной
- •3.5.2.Модель с байпасным потоком.
- •3.5.3.Последовательное соединение ячеек идеального вытеснения и идеального смешения.
- •3.5.4.Гидродинамические модели многофазных потоков.
- •3.6.Методы определения параметров моделей структуры потоков.
- •3.6.1. Характеристики кривых отклика аппаратов на возмущения с помощью моментов.
- •3.6.2. Связь передаточных функций с моментами кривых
- •3.6.3.Ячеечная модель
- •3.6.4.Диффузионная однопараметрическая модель
- •3.6.5.Вычисление моментов по экспериментальным данным.
- •3.6.6.Определение параметров гидродинамических моделей по экспериментальным данным путем решения обратной задачи методами нелинейного программирования.
- •4. Кинетические модели для описания химических превращений.
- •4.1.Основные закономерности химической кинетики
- •4.2. Методы определения параметров кинетических моделей.
- •4.2.1.Определение констант скорости параллельных реакций:
- •4.3.Определение кинетических констант сложных реакций методами нелинейного программирования.
- •4.4. Кинетика гетерогенных процессов.
- •4.4.1 Типы гетерогенных процессов
- •4.4.2.Основные стадии гетерогенных процессов.
- •4.4.3.Определение области протекания гетерогенного процесса.
- •Влияние формы межфазной поверхности раздела фаз на скорость гетерогенных процессов.
- •Раздел 5. Синтез моделей технологических объектов на базе их гидродинамических моделей и уравнений химической кинетики.
- •5.1. Модель идеального смешения
- •5.2.Модель идеального вытеснения:
- •5.3. Диффузионная модель
- •Литература
Раздел 3.2 .Модель идеального вытеснения.
Рассмотрим теперь модель аппарата полного, или идеального вытеснения.
В отличие от предыдущей модели, основным постулатом этой модели является допущение о том, что в направлении потока жидкость не перемешивается, в то время как в поперечном направлении жидкость перемешана полностью. При таких допущениях жидкость в аппарате движется подобно поршню, при этом каждый последующий слой вытесняется предыдущим. Поэтому эту модель называют еще моделью поршневого потока. В англоязычной литературе эта модель называется plug flow model. Схема аппарата представлена на рис.3.2.1.
Рис.3.2.1 Схема аппарата идеального вытеснения.
–длина и площадь поперечного сечения аппарата,
- концентрация на входе и выходе из аппарата,
- объемный расход смеси на входе и выходе из аппарата.
Выделим в аппарате элементарный объем и составим для него уравнение материального баланса, обозначив концентрацию в элементарном объеме черезсj, концентрацию на входе в слой через сj-1, а концентрацию на выходе из объема через сj+1. Накопление массы в рассматриваемом объеме будет равно интегралу от разности потоков, входящих и выходящих из рассматриваемого объема:
(3.2.1)
Продифференцируем обе части уравнения (3.2.1) по времени и разделим на величину рассматриваемого объема . И рассмотрев предел уравнения приl0, получим уравнение модели идеального вытеснения в следующем виде:
(3.2.2)
Где - линейная скорость, м/с.
Эта модель представляет собой дифференциальное уравнение в частных производных, потому что переменная величина изменяется в пространстве и времени. В уравнение (3.2.2) введем безразмерную пространственную координату следующим образом:
Полученное значение производной поставим в уравнение (3.2.2) и получим математическую модель в следующем виде:
(3.2.3)
Где - время пребывания смеси в аппарате.
Определим передаточную функцию аппарат идеального вытеснения. Для этого преобразуем уравнение (3.2.3) по Лапласу, считая и t независимыми переменными, получим передаточную функцию модели аппарата идеального вытеснения в следующем виде:
(3.2.4)
Найдем реакцию модели на импульсное возмущение, т.е.
С – кривую, используя соотношение (3.1.23):
(3.2.5)
Из этой формулы видно, что выходной сигнал будет повторять входной, но сдвинут на величину tз. Аналогично можно найти выражение для F – кривой:
(3.2.6.
На рисунках 3.2.2 и 3.2.3. показаны графики С- кривой и F – кривой:
Рис.3.2.2. Кривые отклика аппарата идеального вытеснения на импульсное возмущение, а) – изменение входной концентрации, б) изменение выходной концентрации, tз – время пребывания смеси в аппарате
Рис.3.2.6. Кривые отклика аппарата идеального вытеснения на ступенчатое возмущение, а) – изменение входной концентрации, б) изменение выходной концентрации, tз – время пребывания смеси в аппарате
Модель аппарата идеального вытеснения может быть использована для описания работы аппаратов, работающих по принципу вытеснения – колонные и трубчатые аппараты, теплообменники. Применение модели к описанию потоков в технологических аппаратах связывают с величиной отношения длины аппарата к его диаметру. При L/d >20 (d- диаметр аппарата) и числе Рейнольдса
Re>2300 продольное перемешивание незначительно, а турбулентное движение обеспечивает равномерно распределение концентрации по поперечному сечению аппарата. Таким образом, в этих условиях выполняются основные допущения, лежащие в основе модели идеального вытеснения.