Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Моделирование химико-технологических процессов

..pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
3.44 Mб
Скачать

 

 

 

 

Таблица 2.2

 

Результаты параллельных опытов

•^оп

1

2

3

4

X

0

0

0

0

y°j

0,8

0,9

1,0

1,3

Требуется проверить полученное уравнение на адекватность. Решение Подставив значения фактора х в уравнение регрессии, определим

расчетные значения параметра оптимизации: :(—0,4; 0,4; 1,2; 2,0; 2,8).

По формуле (2.17) определим среднее значение параметра оптими­ зации в параллельных опытах,

2>у'

У° = — — - = 1 ,

т

где т количество параллельных опытов, равное четырем.

По формулам (2.15) вычислим значения дисперсий адекватности и воспроизводимости:

i f r v * )

 

ст2

= м

■= 0,1.

иЛПГа 2

= 0,047,

 

и ад

Уаг

 

Л ,

 

 

 

где

—я /

1 —3 ,

Ув0С —/я 1

3 , л

5,/ 1.

По формуле (2.14) определим расчетное значение критерия Фишера и сравним его с критическим значением, взятым по таблице в приложе­ нии 5 для /ад = 3; /вое = 3 и 5 %-го уровня значимости, принимаемого в хи­ мико-технологических расчетах.

F = ( 4 / « & .= 2,14 < F Kp= 9,3.

Вывод - уравнение регрессии адекватно описывает процесс.

3.МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТРУКТУРЫ ПОТОКА

ВАППАРАТЕ - ОСНОВА ПОСТРОЕНИЯ МОДЕЛЕЙ

Известно, что гидродинамическая структура потока в аппарате су­ щественно определяет эффективность и завершенность химико­ технологических процессов. При этом математическая модель структуры потока является основой, на которой строится математическое описание всего химико-технологического процесса. Однако поведение потока в ап­ парате является настолько сложным, что в большинстве случаев не подда­ ется строгому математическому описанию. Следовательно, необходимо найти такой параметр оценки структуры потока, который, не вдаваясь в математические подробности, позволил бы качественно его охарактеризо­ вать. Одним из таких параметров является функция распределения по вре­ мени пребывания (РВП ) частиц потока в аппарате рис. 3.1.

Рис. 3.1. Функция распределения по времени пребывания частиц потока в аппарате

Функция РВП отражает время пребывания различных долей потока в аппарате и, следовательно, характеризует длительность взаимодействия компонентов реакционной смеси.

Если известен явный вид функции РВП и кинетические закономер­ ности процесса, то, составив математическую модель, легче определить оптимальные условия его протекания.

Характер функции РВП определяется неравномерностью потока в аппарате, имеет стохастическую природу и оценивается статистическим распределением.

Наиболее существенными источниками неравномерности потока яв­ ляются:

-неравномерность профиля скоростей;

-турбулизация потока;

-наличие застойных зон;

-каналообразование, перекрестные и байпасные токи;

-температурные градиенты движущихся сред;

-тепло- и массообмен между фазами и т.д.

Рассмотрим наиболее распространенные экспериментальные методы исследования структуры потоков.

3.1. Методы исследования структуры потоков

Сущность указанных методов заключается в том, что на входе пото­ ка в аппарат вводят индикатор, а на выходе измеряют его концентрацию как функцию времени. Полученная выходная кривая называется функцией отклика системы на типовое возмущение по составу потока. В качестве индикаторов обычно используются красители, растворы солей и кислот, изотопы и др. вещества.

Индикатор должен соответствовать следующим требованиям:

-поведение частиц индикатора в аппарате должно быть подобно по­ ведению частиц потока;

-индикатор не должен взаимодействовать со средой;

-должен легко измеряться.

Взависимости от способа подачи индикатора различают три основ­ ных метода исследования структуры потоков: импульсный; ступенчатый; циклический.

Импульсный метод

В соответствии с импульсным методом на входе потока в аппарат, практически мгновенно, в виде дельта функции, вводят определенное ко­ личество индикатора. Тогда возмущающий сигнал и кривая отклика будут иметь следующий вид (рис. 3.2).

Если обозначить объемный расход потока через V , а эксперимен­ тальную функцию отклика, представляющую собой концентрацию инди­ катора на выходе потока из аппарата как функцию времени t через Сэ(г), то количество индикатора, время пребывания которого в аппарате изменяет­

ся от / до t + dt, составит

 

dG = VC3{t)dt,

(3.1)

а отношение dG ко всему количеству индикатора G выразит долю индика­ тора, вышедшего из аппарата за то же самое время:

отклик

Рис. 3.2. Кривая отклика на импульсное возмущение

_dG VC,(t)dt

G

G

(3.2)

 

где G можно определить как

 

 

G = v ]c ,(t)d t.

(3.3)

0

 

 

Тогда, подставив значение G из уравнения (3.3) в уравнение (3.2),

получим

 

 

dR = C,(t)dt

= C (t)dt>

(3 4)

] c 3(t)dt

 

 

о

 

 

где выражение

 

 

С (0 = ^

 

(3.5)

/С Э(/)Л

0

задает нормированную С-кривую.

Так как поведение индикатора в аппарате идентично поведению ос­ новного потока, то выражения (3.2) и (3.4) представляют собой долю по­ тока, время пребывания которого изменяется от / до / + dt.

Одной из основных характеристик кривой распределения является среднее время пребывания потока в аппарате,

i = \dR.

(3.6)

о

С учетом формул (3.4) - (3.6) получим

t=*\tC(t)dt. (3.7)

о

Использование полученной функции отклика в натуральных значе­ ниях координат Сэ(/) - t не всегда бывает удобным для расчетов, поэтому кривую отклика обычно приводят к безразмерному виду С (0 )-0 и назы­ вают С-кривой.

Здесь 0 - безразмерное время,

 

0 = ///;

(3.8)

а С (0 )- безразмерная концентрация,

 

 

с(е )= с э(/)/с э°,

(3.9)

где С ° -

начальная концентрация индикатора в потоке,

 

 

С° = G/V,

(3.10)

здесь V-

объем аппарата.

 

Среднее время пребывания потока в аппарате можно также предста­ вить в виде отношения объема аппарата Vк объемному расходу потока,

t - VIV

(3.11)

Установим связь между dR и С(0). Для этого умножим и разделим правую часть уравнения (3.2) на С,7 и с учетом уравнений (3.8) - (3.11) получим

А -

С* t

 

= С (0 )Л ,

(3.12)

GCyf

G V

 

где

dQ = d t / t .

 

 

(3.13)

 

 

 

Таким образом

сЖ = С(в)с®.

 

(3.14)

 

 

Теперь найдем связь между С(0),С(/)

и

t . На основании уравнений

( 3 .4 - 3 .1 4 ) имеем

 

 

 

 

C(Q)dQ = C(t)dl -> C (Q )j = C(l)dt -> C(0) =FC(f).

(3-15)

Если построить экспериментальную кривую в нормированных коор­ динатах, то доля потока, пребывающего в аппарате в течение времени от О до 0, будет определяться по формуле

0

 

|С(0)</0

(3.16)

о

 

естественно, что

 

°JC(0)dB = l.

(3.17)

о

 

Таким образом, С-кривая является характеристикой распределения элементов потока по времени их пребывания в аппарате.

Ступенчатый метод

В соответствии со ступенчатым методом концентрацию индикатора на входе потока в аппарат меняют скачкообразно от нуля до некоторого значения (или от некоторого значения до нуля) и в дальнейшем оставляют неизменной.

Кривая отклика при этом имеет вид, представленный на рис. 3.3.

Рис. 3.3. Кривая отклика на ступенчатое возмущение

Если выразить данную зависимость в безразмерных координатах F ( 0 ) - 0 , то она будет называться F -кривой, где

F (0 ) = F (O /F (o o ).

(3.18)

В данном случае доля элементов потока, время пребывания которых находится в пределах от 0 до 0 + </0, составит

 

ЙР(0) = С (0 )Л ,

(3.19)

а доля элементов потока со временем пребывания от 0 до 0

 

 

0

 

 

F (0 ) = JC (0)d 0.

(3.20)

 

о

 

Так как сумма всех долей жидкости в аппарате равна 1, то площадь

под С-кривой равна 1 и F (0 )

1 при 0 -> оо, т.е.

 

1

«

 

Jd F (0)= JC(0)dB = l.

(3.21)

о

о

 

Среднее время пребывания потока в аппарате

t= ™\tC(t)dt = *\tdF = -\ td {\ -F ).

(3.22)

0

0

0

 

Проинтегрировав полученное выражение по частям, получим

 

H i - П

= [r(l -

F) = 0 ] - ](1 - F)dt.

(3.23)

о

 

о

 

Окончательно среднее время пребывания потока выразится через

функцию F следующим образом:

 

 

 

t= \ \ -F )d t.

(3.24)

 

 

о

 

Геометрически среднее время пребывания потока соответствует пло­ щади над кривой F(t).

Циклический метод

При циклическом методе концентрацию индикатора на входе потока в аппарат изменяют по синусоидальному закону. В этом случае функция отклика тоже представляет собой синусоиду, но имеющую другую ампли­ туду и сдвинутую по фазе (рис. 3.4).

С помощью циклического метода можно определить коэффициент обратного перемешивания потока. Организовать подачу индикатора по­ добным образом сложнее, поэтому данный метод менее распространен.

Рис. 3.4. Кривая отклика на циклическое возмущение

3.2. Основные характеристики функции распределения потока по времени пребывания в аппарате

Основными характеристиками распределения элементов потока по времени их пребывания в аппарате являются моменты С-кривой. В зави­ симости от начала отсчета случайной величины различают начальные и центральные моменты.

Начальные моменты

Общий вид начальных моментов

 

Щ =

(3.25)

 

о

 

где Р -

номер момента;

 

- нулевой момент - площадь под кривой,

 

 

А * 0 = ]'°С (/)< * ;

(3.26)

 

О

 

 

-

первый момент характеризует среднее время пребывания или ма­

тематическое ожидание случайной величины времени пребывания,

 

 

Л/| = Jf'C (/ )A .

(3.27)

 

о

 

Случайные величины, отсчитываемые от математического ожида­ ния, называются центрированными. Моменты центрированной величины называются центральными.

Центральные моменты

Общий вид центральных моментов

Ир = \ t - i f c { t ) d t .

(3.28)

О

 

Нулевой и первый центральные моменты соответственно равны:

|10=Л^о;

H i=0.

Второй центральный момент характеризует рассеяние случайной ве­ личины относительно среднего времени пребывания и называется диспер­ сией.

Й2 = \ t - i ) 2C(t)dt.

(3.29)

О

 

Третий центральный момент характеризует асимметрию распреде­ ления.

ц3 = ](Г - / )3С(О Л .

(3.30)

о

 

Четвертый центральный момент определяет островершинность рас­ пределения.

ц4 = ] ( г - 0 4С(/)Л.

(3.31)

о

 

4.ТИ П О ВЫ Е МОДЕЛИ СТРУКТУРЫ ПОТОКА

Сложный характер взаимодействия фаз в аппаратах вынуждает нас прибегать к приближенному представлению о внутренней структуре пото­ ка на уровне типовых гидродинамических моделей: идеального переме­ шивания (ИП), идеального вытеснения (ИВ), ячеечной модели (ЯМ), яче­ ечной модели с рециркуляцией (ЯМР), диффузионной модели (ДМ) и др. Эти модели являются простыми и носят полуэмпирический характер. Тем не менее они позволяют получать математическое описание, достаточно точно отражающее физическую сущность реальных процессов, и адекват­ ное объекту моделирования.

Требования к моделям:

-отражение физической сущности реального потока при достаточно простом математическом описании;

-простота определения параметров экспериментальным или расчет­

ным путем; -удобство для использования при расчетах конкретных химико­

технологических процессов.

Типовые модели подразделяются на два класса: идеальные и реаль­

ные.

К первому классу относятся модели ИП и ИВ, они предполагают идеальную структуру потока и не всегда адекватны реальным процессам. Для описания реальных объектов чаще применяют модели второго класса, среди них наиболее распространены: ЯМ ; ЯМР и ДМ.

4.1. Модель идеального перемешивания

Модель ИП представляет теоретическую модель с идеализированной структурой потока. В соответствии с ней принимается, что поступающий в аппарат поток, вследствие полного перемешивания частиц среды, мгно­ венно распределяется по всему объему. При этом концентрация распреде­ ленного вещества во всех точках аппарата одинакова и равна концентра­ ции на выходе. Схематично данную модель можно представить следую­ щим образом:

 

скачок

Свх

^ С = Свых

где Свх и С = Свьк концентрации вещества на входе в аппарат и выходе цз аппарата соответственно.

Модель ИП наиболее адекватно воспроизводит структуру потока в аппаратах с мешалками (рис. 4.1), имеющими эллиптические или полу­ сферические днища, соотношение высоты и диаметра корпуса близкое к единице, и снабженными отражательными перегородками.

Получим модель ИП исходя из уравнения материального баланса. В соответствии с материальным балансом в стационарных условиях и при отсутствии химических превращений приход равен расходу, т.е.

й свх ~ У С . Но при изменении концентрации на входе, или при наличии превращений, изменение количества вещества в аппарате в единицу вре­

мени будет равно разнице между приходом и расходом

 

v ^ - = V(Cn ~ c )

^ =

(4-1)

где t = V/V - среднее время пребывания потока в аппарате.

Соседние файлы в папке книги