- •Модель ідеального перемішування Характеристика моделі
- •Диференціальне рівняння моделі
- •Розв'язання диференціального рівняння моделі
- •Умови фізичної реалізованості моделі ідеального перемішування
- •Модель ідеального витіснення Характеристика моделі
- •Диференціальне рівняння моделі
- •Розв'язання диференціального рівняння моделі
- •Математичний опис коміркової моделі
- •Умови фізичної реалізованості моделі ідеального витіснення
- •Коміркова модель Характеристика моделі
- •Розв'язання системи рівнянь коміркової моделі
- •Застосування коміркової моделі
- •Дифузійна модель Характеристика моделі
- •Диференціальне рівняння однопараметричної дифузійної моделі
- •Розв’язання диференціального рівняння моделі
- •Застосування дифузійної моделі
- •Комбіновані моделі
- •Об'єкт, що поєднує зони ідеального перемішування й байпасування
- •Об'єкт, що поєднує ділянки ідеального перемішування й застійної зони
- •Тема лекційного заняття 3. Описання структури моделей у апаратах безперервної дії. Дифузійна та коміркова математичні моделі.
Диференціальне рівняння однопараметричної дифузійної моделі
Структуру потоку, що відповідає
однопараметричній дифузійній моделі,
можна представити так (див. рис. 2.12):
деяка технологічна речовина переміщається
із середньою лінійною швидкістю
у поздовжньому каналі, уздовж якого
відбувається перемішування речовини
за рахунок прямого і зворотного потоків
при рівномірному розподілі концентрації
речовини в напрямку, перпендикулярному
до руху. При складанні математичного
опису такої моделі б
еруть
такі припущення:
зміна концентрації речовини є безперервною функцією координати (відстані по довжині каналу);
концентрація речовини в кожному перерізі стала;
об'ємна швидкість потоку
,
де
‑ площа поперечного перерізу каналу,
і коефіцієнт поздовжнього перемішування
не змінюються по довжині й перерізу
потоку.
Виділимо в розглянутому потоці елементарну
-ту
комірку (див. рис. 2.12), обмежену
-м
і
-м
перерізами, об'ємом
,
висотою (довжиною)
і площею поперечного перерізу
.
Позначимо
— потік (кількість речовини), що проходить
через
-й
переріз;
— потік (кількість речовини), що проходить
через
-й
переріз;
— об'єм елементарної
-ї
комірки.
Виразимо кількість речовини, що надходить
у
-ту
комірку (
)
і виходить із неї (
),
що можна показати рівняннями
, (2.2-31а)
, (2.2-31б)
де
,
— лінійна швидкість прямого й зворотного
потоку;
,
,
— концентрація речовини в елементарних
комірках (індекс комірки відповідає
індексу концентрації, яка у межах кожної
елементарної комірки береться сталою).
Якщо використати співвідношення між
лінійними швидкостями потоків
і замінити в рівняннях (2.2-31а) і
(2.2-31б) швидкість
на суму
,
а також увести позначення для збільшення
концентрації
,
,
то з урахуванням умови
рівняння (2.2-31) набувають вигляду
, (2.2-32а)
. (2.2-32б)
У загальному випадку, коли на вході
виникає збурювання по потоку, рівновага
вхідного й вихідного потоків не
дотримується, тобто потік
не дорівнює
,
і зміна маси речовин в неусталеному
режимі за час
виразиться так:
. (2.2-33)
Після підстановки значень
(2.2-32а) і
(2.2-32б)у рівняння (2.2-33) і нескладних
перетворень одержуємо
. (2.2-34)
Розділимо обидві частини рівняння
(2.2-34) на об'єм
,
а також скористаємося тим, що
, (2.2-35)
де
— зміна концентрації в розглянутій
елементарній
-й
комірці;
— значення концентрації до початку
збурювання (константа);
— концентрація в будь-який момент часу
після внесення збурювання (змінна
величина). Тоді з урахуванням![]()
. (2.2-36)
Оскільки
не залежить від
,
внесемо під знак інтеграла величину
і помножимо перший доданок на
,
у результаті одержимо
. (2.2-37)
Рівняння
(2.2-37) диференціюємо за часом і виконуємо
граничний перехід при
:
. (2.2-38)
Проаналізуємо границю, що становить праву частину рівняння (2.2-38)
і
. (2.2-39)
Якщо в першому доданку правої частини
рівняння (2.2-38)
,
то рівняння (2.2-38) перетворюється в
математичний опис моделі ідеального
витіснення, що суперечить початковій
умові задачі, яка передбачає наявність
перемішування уздовж потоку. Отже, ця
границя не може дорівнювати нулю;
оскільки вона характеризує зворотний
потік, що є причиною поздовжнього
перемішування. Тому ця границя ‑ цематематичний запис параметра
,
щохарактеризує зворотне перемішуванняв елементарній комірці й у всьому потоці,
тобто
. (2.2-40)
З урахуванням значень границь, що становлять праву частину виразу (2.2-38), його можна переписати так:
. (2.2-41)
Рівняння (2.2-41) записано без індексу
на тій підставі, що для комірки із
будь-яким іншим індексом можна одержати
аналогічний вираз. Ця залежність
характеризує зміну концентрації по
довжині зони, для якої справедлива
однопараметрична дифузійна модель, і
є рівнянням однопараметричної дифузійної
моделі в диференціальній формі. Вид
рівняння показує, щодифузійна модель
характеризується розподіленими
параметрами. Необхідно зазначити, що
за відсутності поздовжнього перемішування
(
)
рівняння перетворюється в рівняння
моделі ідеального витіснення, що повністю
відповідає фізичному уявленню про
однопараметричну дифузійну модель як
про модель витіснення, ускладнену
поздовжнім перемішуванням.Коефіцієнт
поздовжнього перемішування
,
м2/год,знаходиться дослідним
шляхом або обчислюється за розрахунковими
формулами, складеними для апаратів
різних типів. При експериментальному
визначенні коефіцієнта поздовжнього
перемішування
його, як правило, представляють у вигляді
безрозмірного комплексу. При цьому
використовують критерій Пекле
,
деL— визначальний лінійний розмір
зони (системи). Тоді коефіцієнт поздовжнього
перемішування у безрозмірній формі має
вигляд
. (2.2-42)
Безрозмірний комплекс —
,
який іноді називають «зворотним критерієм
Пекле», характеризує тільки поздовжнє
перемішування. Якщо замість середньої
лінійної швидкості потоку
у рівняння (2.2-41) підставити її вираз
через об'ємну швидкість і площу поперечного
перерізу
,
то рівняння, що описує зміну концентрації
в зоні, для якої справедлива однопараметрична
дифузійна модель, набуває вигляду
, (2.2-43)
де
— поперечний переріз потоку.
Аналогічне за формою рівняння може бути отримано, якщо розглянути зміну іншої характерної змінної, наприклад, температури T, у потоці теплоносія зі структурою ідеального витіснення, ускладненої поздовжнім перемішуванням. Тоді таке рівняння буде відображати не розподіл речовини, а розподіл температури:
, (2.2-44)
де
— коефіцієнт поздовжнього перенесення
тепла;
— теплоємність речовини потоку
теплоносія.
