Исследование устойчивости реакторов с мембранным разделением с использованием информационно-аналитического программного комплекса

• Автор: Тарутина, Наталья Вячеславовна
• Шифр специальности: 05.17.08, 05.13.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 145 с. : ил.

Введение.

1. Литературный обзор.

1.1. Типы реакторов.

1.1.1. Типы химических реакторов

1.1.2. Типы биореакгоров, их использование

1.1.3. Особенности моделирования биореакторов.

1.2. Основные задачи исследования устойчивости химических и биологических процессов.

1.2.1. Исследование устойчивости по Ляпунову

1.2.2. Бифуркационный анализ моделей непрерывных биохимических реакторов.

1.3. Пакеты программ для моделирования и автоматизированного проектирования

1.4. Постановка задачи

2. Моделирование процессов в реакторе с мембранным разделением и анализ устойчивости.
2.1. Технологическая схема реактора с мембранным разделением и анализ связей в ней.
2.2. Анализ устойчивости на основании первого метода Ляпунова
2.2.1. Фазовые портреты и неподвижные точки.
2.2.2. Линеаризация нелинейных систем.
2.2.3. Классификация неподвижных точек на плоскости.
2.2.4. Бифуркация в нелинейных системах.
2.3. Модель синтеза лимонной кислоты в реакторе с мембранным разделением.
2.3.1. Уравнения математической модели
2.3.2. Анализ процессов по модели.
2.3.3. Адекватность математической модели экспериментальным данным . .
2.3.4. Исследование устойчивости реактора с мембранным разделением для синтеза лимонной кислоты
2.4. Модель синтеза молочной кислоты в реакторе с мембранным
разделением.
2.5. Системный анализ факторов, влияющих на устойчивость реакторов с мембранным разделением
3. Информационноаналитический программный комплекс для определения параметров устойчивой работы реактора с мембранным разделением
3.1. Структура программы.
3.2. Блок Кинетическая модель
3.3. Блок Модель фильтрации.
3.4. Блок Начальные условия
3.5. Блок Эксперимент
3.6. Блок Периодический режим
3.7. Блок Непрерывный режим
3.8. Блок Устойчивость.
3.9. Основные возможности
4. Исследование устойчивости реакторов с мембранным разделением на основе расчетов с использованием информационноаналитического комплекса и экспериментальных данных.
4.1. Экспериментальные исследования
4.1.1. Описание эксперимента по фильтрации на мембране.
4.1.2. Экспериментальные исследования процесса синтеза лимонной кислоты в реакторе с мембранным разделением.
4.1.3. Экспериментальные исследования процесса синтеза молочной кислоты в реакторе с мембранным разделением.
4.2. Результаты моделирования и исследования устойчивости работы
реактора с мембранным разделением для синтеза лимонной кислоты
4.2.1. Моделирование процесса при идеально работающей мембране.
4.2.2. Предельно засоренная мембрана
4.2.3. Первый промежуточный случай.
4.2.4. Второй промежуточный случай.
4.2.5. Влияние селективности мембраны по субстрату на производительность
4.2.6. Влияние селективности мембраны по продукту на производительность
4.2.7. Влияние скорости протока на устойчивость
4.2.8. Определение устойчивости и бифуркационные диаграммы
4.2.9. Анализ производительности реактора с мембранным разделением .
4.3. Результаты моделирования и исследования устойчивости работы
реактора с мембранным разделением для синтеза молочной кислоты
Основные результаты и выводы.
Список литературы


В данной части работы будут рассмотрены общие вопросы, касающиеся химической технологии, без понимания которых невозможно создание адекватного программного обеспечения и разработка новых технологий. В первую очередь, будут рассмотрены типы химических реакторов, мембранные реакторы, в том числе реакторы с мембранным разделением, возможности и методы их моделирования. Реактор, независимо от того, химический он или биологический, является основным аппаратом в технологической схеме получения любого вещества. От его работы зависит производительность всей системы, качество производимого продукта, его стоимость 1. Реакторы можно классифицировать по различным признакам. Например, но фазовому состоянию реагентов различают гомогенные реакторы, где реакция протекает в газовой, жидкой или твердой фазах, и гетерогенные реакция протекает в диффузионной или кинетической областях. Реакции могут быть каталитические и некаталитические, различаться по типу механизма, порядку, условиям проведения . В зависимости от механизма различают реакции необратимые, обратимые, последовательные, параллельные и др. В зависимости от условий проведения реакции реактора делятся на изотермические, эндотермические с поглощением тепла, экзотермические с выделением тепла, адиабатические, неадиабатические и др. Изотермический режим предполагает идеальный теплообмен через стенку реактора, т. Адиабатический процесс протекает при полном отсутствии теплообмена через стенку реактора. Неадиабатический процесс протекает с теплообменом через стенку реактора. По режиму работы реакторы можно разделить на непрерывные, полунепрерывные и периодические. В реакторах непрерывного действия происходит постоянная подача исходных реагентов и непрерывный отвод продуктов реакции. Полунепрерывные реакторы отличает то, что при их использовании происходит или непрерывная подача реакционной массы в реактор, или непрерывный отвод реакционной смеси. При этом, в процессе химического превращения ничего в него не добавляется и ничего не удаляется. С точки зрения управления процессом наиболее сложными являются периодические реакторы, т. Для непрерывных реакторов одной из основных задач является пуск процесса выход на заданные стационарные значения . В зависимости от гидродинамической обстановки в аппарате различают два диаметрально противоположных режима режим идеального смешения и режим идеального вытеснения поршневой режим. Между ними находится множество промежуточных режимов 7. Обычно, реактор смешения представляет собой емкость с одной или несколькими мешалками, к которой подводят реакционную массу и отводят продукты реакции. Обычно реакторы этого типа используют для проведения жидкофазных процессов, идущих с небольшим изменением объема. Реакторы смешения могут работать как в непрерывном режиме, так и в периодическом или полупериодическом. При реализации непрерывного режима работы после выхода процесса на стационар на его устойчивость могут влиять только колебания параметров подводимого сырья, а также случайные отклонения параметров процесса, возникающие изза неконтролируемых возмущений. Обычно такие возмущения компенсируются использованием систем автоматического регулирования, существенно сложнее управление при периодическом режиме работы. В этом случае управляющие воздействия необходимы постоянно, т. На бесконечности режим работы устойчив, так как исчерпывается концентрация реагента. Поэтому для непрерывных реакторов характерны проблемы потери устойчивости по Ляпунову, а для периодических возможно возникновение так называемой практической неустойчивости, когда реальные значения технологических параметров могут оказаться вне зоны нормальной работы 8. Режим идеального смешения предполагает, что поступающая в аппарат смесь реагентов мгновенно перемешивается и в реакторе всегда концентрация и температура одинаковы по всему объему аппарата и равны температуре и концентрации на выходе из аппарата, те. На практике режим близкий к режиму идеального смешения достигается интенсивным перемешиванием с помощью одной или нескольких мешалок 1. Неидеальность перемешивания в реакторе можно учесть на уровне микросмешения, если использовать понятие сегрегации.