Математические модели и комплексы программ для исследования и оптимизации жидкофазных реакций в микрореакторах

• Автор: Боровинская, Екатерина Сергеевна
• Шифр специальности: 05.13.18
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 190 с. : ил.

ВВЕДЕНИЕ

1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Микроструктурные реакторы

1.1.1 Микроструктурные реакторы общая характеристика

1.1.2 Микроструктурный реактор терминология

1.1.3 Структурная иерархия микрореакторов

1.1.4 Функциональная классификация микрореакторов

1.1.5 Различие между аналитическими и реакторными системами

1.1.6 Основные достоинства микрореакторов

1.1.7 Возможности эксплуатации микрореакторов

1.1.8 Основные типы микрореакторов.

1.1.9 Примеры промышленного применения
микроструктурных реакторов
1.2 Применение методов математического моделирования и
численных методов для решения обратных задач.
1.2.1 Особенности решения обратных задач.
1.2.2 Задача нахождения кинетических параметров сложного процесса
1.3 Методология интервального анализа и ее применение
в математическом моделировании.
1.3.1 Особенности интервального анализа
1.3.2 Интервальный анализ в химической кинетике
1.4 Применение методов оптимизации для решения задач по построению кинетических моделей
1.5 Методы глобальной оптимизации.
1.5.1 Особенности стохастического метода глобальной оптимизации.
1.5.2 Стохастический интервальный метод глобальной оптимизации.
1.6 Обзор существующих комплексов программ
1.6.1 Комплексы программ для решения задач кинетики
1.6.2 Комплексы программ для оптимизации.
1.7 Заключение и постановка задачи
2 ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Процесс алкилирования фенилацетони грила
2.2 Объект исследования.
2.2.1 Описание лабораторной установки с
микроструктурным реактором
2.2.2 Принцип сборки лабораторной установки с микрореактором
2.2.3 Описание микроструктурного реактора
2.2.4 Описание микросмесителя
2.3 Предмет исследования
2.3.1 Методы решения прямой и обратной задач химической кинетики.
2.3.2 Интервальное оценивание параметров математического описания МО химикотехнологических процессов и систем
на основе вычислительного эксперимента.
2.3.2.1 Сущность предлагаемых методов интервального оценивания параметров МО и их компьютерная реализация
2.3.2.2 Модификация методов интервального оценивания параметров МО с применением случайных чисел
2.4 Выводы к главе 2
3 РАЗРАБОТКА И ПРИМЕНЕНИЕ КОМПЛЕКСА ПРОГРАММ II
3.1 Требования, предъявляемые к комплексу программ
3.2 Структура и назначение комплекса программ ii.
3.3 Применение комплекса программ для моделирования
кинетики химических процессов
3.3.1 Алгоритм метода РунгеКуттаМерсона для решения
системы дифференциальных уравнений.
3.3.2 Алгоритм метода НелдераМида для идентификации
констант скоростей процесса
3.3.3 Алгоритм метода симулированного отжига.
3.4 Методы объектноориентированного программирования
3.5 Разработка человекомашинного интерфейса.
3.6 Системные требования программного продукта
3.7 Выводы к главе 3.
4 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
4.1 Моделирование процесса жидкофазного алкилирования фенилацетонитрила в микросгруктурном реакторе.
4.1.1 Выбор типа модели.
4.1.2 Математическое описание процесса.
4.1.3 Результаты моделирования кинетики процесса в комплексе программ ii.
4.2 Вычислительный эксперимент тестирования интервальных
методов при решении обратной задачи в
4.2.1 Анализ достаточности экспериментальных данных и
влияния погрешности эксперимента.
4.2.2 Решение обратной задачи для процесса
алкилирования фенилацетонитрила
4.2.3 Интервальное оценивание констант скоростей.
4.2.4 Интервальное оценивание кинетических параметров.
4.3 Результаты поиска оптимального режима ведения
процесса алкилирования
4.4 Выводы к главе 4.
ВЫВОДЫ
ЛИТЕРАТУРА


Важно отметить, что, тем не менее, есть большое различие между миниатюрными аналитическими системами и микрореакторами . Несмотря на миниатюрность микрореакторов их объем остается слишком большим для того, чтобы вещества взаимодействовали между собой на молекулярном уровне. Все это связано с наличием у микрореакторов особенных свойств, достогаемых микромасштабированием. В основном микрорсакторы вносят большой вклад в дальнейшее развитие химического машиностроения в микромасштабе, в то время как химизм, механизм реакции в значительной степени остаются неизменными. Их главные достоинства улучшение режима течения потока и обеспечение интенсификации массо и теплопереноса. Уменьшение линейных размеров Уменьшение линейных размеров закрытой системы увеличивает соответствующий градиент для заданных величин параметров процесса. Это относится к таким параметрам, как давление, температура и концентрация, которые особенно важны для ведения процесса и обработки данных в реакторах. Вследствие уменьшения линейных размеров системы, движущие силы для массо, теплопереноса или диффузионного потока в расчет на единицу объема или единицу поверхности увеличиваются при использовании микрореакторов. Эти несложные теоретические предположения были подтверждены исследованиями в области массо и теплопереноса. Большинство современных микрореакторов содержат микроканалы, ширина которых обычно находится в диапазоне 0 микрометров, а стенка между каналом для проведения реакции и каналом теплопереноса при необходимости может быть уменьшена до диапазона микрометров, в результате чего коэффициент переноса тепла увеличивается до 0 Втм2К. Толщина слоя жидкости в микросмесителях может быть уменьшена до нескольких десятков микрометров, а в отдельных случаях и до нанометров. Вследствие этого время перемешивания в микросмесителях уменьшается до миллисекунд, а в некоторых случаях и до наносекунд , что является труднодостижимым при использовании аппаратов с мешалкой или традиционных перемешивающих устройств. Вследствие уменьшения линейных размеров микроканалов отношение величины поверхности к объему заметно увеличивается. Как было показано в таблице 1. Не считая достоинств теплопереноса, упомянутых выше, увеличение площади поверхности аппарата может быть использовано для интенсификации процессов, например, в каталитических газофазных реакторах, где внутренние стенки аппарата покрывают активным веществом. Аналогичные достоинства микрореакторов наблюдаются и для многофазных процессов, когда толщина хотя бы одного из жидкофазных слоев имеет размерность в нанометрах. Как теоретические, так и экспериментальные исследования подтвердили, что поверхности раздела фаз в микрореакторах лежат в диапазонах 0 м2м3. К настоящему времени наилучшая поверхность раздела была достигнута для микрореактора со стекающей пленкой, ее значение достигает 0 м2м3 ЮЗ. В некоторых случаях, например, для кольцевого режима двухфазного потока в микробарботажных колоннах специфические поверхности могут достигать примерно таких же значений, как и поверхности в микроканалах . Благодаря уменьшению линейных измерений, объем микрореактора в сравнении с промышленными реакторами уменьшается до нескольких микролитров. В случае металлоорганических реакций резервуар объемом в литров может быть заменен пятью миниатюрными смесителями объемом несколько миллилитров каждый 7. Меньший размер увеличивает безопасность процесса, и, благодаря более короткому времени пребывания, увеличивает селективность. Еще одно достоинство микрореакторов это их особое гидродинамическое течение, которое является важной чертой микрожидкостей течения в основном ламинарные, направленные и очень симметричные 2. В дополнение к этому, мультифазные потоки часто демонстрируют хорошее перемешивание между фазами . Это связано с образованием так называемого Тейлоровского течения бПочу в микроканалах. В этом случае наблюдается вторичное циркуляционное перемешивание внутри капелек жидкости под влиянием трения сегментированной жидкости об стенки микроканалов рис. Рис.