Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Адсорбционный метод разделения воздуха на составляющие компоненты 10
1.1 Промышленные способы разделения воздуха на составляющие компоненты 10
1.2 Адсорбционный метод разделения воздуха 12
1.3 Общие понятия об адсорбции 13
1.4 Основные понятия кинетики адсорбции 17
1.5 Физико-химические основы адсорбционного разделения газов 20
1.6 Типы адсорбционно-десорбционных циклов, используемых при разделении газовых смесей 22
1.6.1 Циклы с переменной температурной (Temperature Swing Adsorption).. 22
1.6.2 Циклы с десорбцией путем продувания газа (Volume Swing Adsorption). 23
1.6.3 Циклы с вытеснением 23
1.6.4 Циклы с переменным давлением (Pressure Swing Adsorption PSA) 23
1.7 Аппаратурное оформление безнагревных адсорбционных процессов разделения газовых смесей 24
1.8 Математические модели процессов разделения газовых смесей 27
1.8.1 Квазигомогенный подход к моделированию процесса адсорбции 28
1.8.2 Дискретные модели 28
1.8.3 Непрерывные модели 30
1.9 Стохастический и детерминистический подход к моделированию процесса адсорбции 32
1.10 Совокупная математическая модель КБА 35
1.11 Системы управления процесса адсорбционного разделения газовых газ о-вых смесей 36
1.12 Процесс адсорбционного разделения как объект управления 40
1.13 Исследование систем управления в рамках автоматического управления химико-технологическими процессами 43
1.14 Выводы из литературного обзора и постановка задач исследования... 44
Глава 2. Физико-химическая и математическая модели процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа 46
2.1 Физико-химическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа 46
2.2 Математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа 50
2.3 Алгоритм расчета скорости адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа 56
2.4 Математическая модель расчета скорости адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа 58
2.5 Блок-схема расчета скорости адсорбции кислорода на поверхности моно- 61 сульфида железа
2.6 Иерархическая последовательность моделей процесса адсорбции кисло
рода на поверхности моносульфида железа 64
ГЛАВА 3. Автоматизированная ситема моделирования процесса адсорбции кислорода и расчета параметров управления 66
3.1. Автоматизированная система моделирования 66
3.2. Параметры модели 70
ГЛАВА 4. Результаты моделирования и их анализ 73
4.1 Оценка времени взаимодействия частиц кислорода с поверхностью моносульфида железа 73
4.2 Влияние внутренних и внешних параметров на скорость процесса 77
4.2.1 Влияние степени заполнения поверхности на скорость процесса 78
4.2.2 Влияние константы скорости миграции на скорость процесса 80
4.2.3 Влияние размеров фрагмента на скорость процесса 85
4.2.4 Зависимость скорости процесса от давления 91
4.2.5 Расчетное время скорости процесса 96
4.3 Анализ результатов исследования 97
Основные результаты и выводы 101
Условные обозначения 102
Литература
- Основные понятия кинетики адсорбции
- Математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа
- Параметры модели
- Влияние константы скорости миграции на скорость процесса
Введение к работе
Актуальность темы. В современной химической, газовой, нефтеперерабатывающей, горнодобывающей, металлургической промышленности адсорбционные процессы широко используют для глубокой очистки и сушки технологических потоков, улучшения качества сырья, воздуха, получения кислорода и т.д. Адсорбция также занимает ведущее место среди способов защиты биосферы от промышленных выбросов. Поэтому развитию и совершенствованию технологических процессов (ТП), основанных на адсорбции, в настоящее время уделяется большое внимание, как в нашей стране, так и за рубежом.
Одним из путей решения указанной проблемы является автоматизация управления ТП разделения газов, которая позволяет поддерживать технологические параметры в заданных пределах, обеспечивающих максимальную эффективность процесса. Выявление параметров технологического процесса и их оптимальных значений составляет решение одной из задач автоматизированного управления исследуемых ТП.
В настоящее время определение значений таких параметров, интервала их изменения осуществляется в основном путем физического моделирования, однако полный учет всех факторов в условиях физического моделирования приводит к значительным затратам. Поэтому, целесообразно для описания химико-технологических процессов в целях управления ими, использовать математические модели.
Математические модели, используемые для описания адсорбционных процессов, в качестве примеров рассматривают решетку с симметричной и однородной пространственной структурой, под эти свойства подходят металлы платиновой группы (Pt,Pd,Ir). Существенный вклад в разработку таких моделей адсорбции внесли отечественные ученые: А.Г. Макеев, Н.Л. Семендяеева, Е.Е. Еленин, Ю.К. Товбин, Г.А. Чумаков, М.М. Слинько, В.Д. Беляеев, М.Г. Слинько и др. Однако при этом не рассматривается последующий процесс - хемосорбции (взаимодействия адсорбированного вещества с поверхностью), являющейся необходимым условием в технологических процессах разделения газов. Для изучения процессов хемосорбции необходима реакционная поверхность, т.е. поверхность, которая сама является реак-тантом.
Исходя из изложенного, разработка программного комплекса моделирования процесса адсорбции с последующей хемосорбцией и расчета управляемых параметров, как подсистемы автоматизированной системы управления (АСУ) химико-технологическими процессами разделения газов, является актуальной и практически значимой.
Цель работы – разработка подсистемы моделирования и определения комплекса параметров управления технологическими процессами разделения газов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Проанализировать современное состояние моделирования и автоматизации технологических процессов разделения газов в отечественной и зарубежной промышленности.
-
Разработать математическое описание процесса адсорбции кислорода с последующей хемосорбцией на неоднородной поверхности адсорбента.
-
Разработать алгоритм расчета скорости адсорбции кислорода на неоднородной поверхности адсорбента.
-
Разработать программный комплекс моделирования процесса адсорбции и определения параметров управления, как подсистемы АСУ ТП.
-
Разработать программное обеспечение определения параметров управления процесса на основе современных средств программирования.
6. Провести параметрический синтез системы управления технологическим
процессом разделения газов и установить степень адекватности разработанной мо
дели.
Объект исследования: технологические процессы, основанные на разделении газов.
Предмет исследования: подсистема моделирования и определения параметров в АСУ ТП.
Методы исследования: теория моделирования технологических процессов,
теория стохастических систем, теория проектирования автоматизированных систем
управления. Использовано следующее программное обеспечение: ОС: Microsoft
Windows 8; среда визуального программирования Embarcadero RAD Studio XE3
(Delphi XE3); MS Visio 2010 (векторный и графический редактор для диаграмм и
блок-схем).
Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие результаты:
-
Математическая модель процесса адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента, отличающаяся от ранее предложенных учетом стадии взаимодействия контактирующих фаз. Математическая модель построена с использованием стохастического подхода на масштабе отдельных центров адсорбции.
-
Методика моделирования адсорбции газа на неоднородной поверхности адсорбента.
3. Алгоритмы расчета параметров управления в технологическом процессе
разделения газов.
4. Методика определения комплекса параметров управления в технологическом процессе разделения газов.
Практическая значимость:
-
Теоретические положения реализованы в виде программного комплекса для ПК, позволяющего определять эффективные параметры управления технологическими процессами разделения газов в АСУ ТП.
-
Результаты исследования позволят снизить затраты энергии на изменение давления в технологических процессах разделения газов.
-
Материалы диссертации могут быть использованы в учебном процессе подготовки бакалавров и магистров по автоматизации технологических процессов в химической технологии и повышению квалификации работников АНХК (Ангарская нефтехимическая компания).
Реализация результатов работы: основные результаты диссертационной работы планируются к внедрению на адсорбционную установку для разделения газов в условиях цеха обеспечения ремонтов ТЭЦ-10 ОАО «Иркутскэнерго».
Достоверность основных теоретических положений и полученных научных результатов подтверждается соответствием полученных в результате программного расчета параметров управления известным научным фактами и ранее построенными эвристическими моделями, апробированным на практике.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях «Современные технологии и научно-технический прогресс» в Ангарской государственной технической академии (2009-2013), Международной конференции «Математические методы в технике и технологиях» (Саратов, 2010, Харьков, 2012, Ангарск, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 статьи, изданных в журналах, рекомендованных в ВАК, без соавторов опубликовано 4 работы. В работах, опубликованных в соавторстве, личный вклад автора составляет от 40 до 75 %.
Структура и объем работы. Диссертация включает введение, 3 главы, выводы, список использованной литературы (109 наименований) и три приложения. Общий объем диссертации составляет 117 страниц, в том числе 40 рисунков и 3 таблицы.
Основные понятия кинетики адсорбции
Адсорбция является универсальным методом, позволяющим практически полностью извлечь примесь из газовой или жидкой среды [16; 49; 101]. Адсорбционные процессы очистки, разделения и сепарации газов разнообразны. В настоящее время наиболее широко используются два метода, которые в зарубежной литературе получили название TSA (Temperature Swing Adsorption) - традиционный метод проведения адсорбционных процессов в циклах адсорбции-десорбции при различных температурах [101]. Полный технологический процесс состоит из следующих стадий: адсорбции, нагрев слоя адсорбента, стадии десорбции и охлаждения перед проведением следующего цикла. Использование данного метода осложняется необходимостью периодического нагрева и охлаждения слоя адсорбента, что и является его недостатком.
Метод PSA (Pressure Swing Adsorption), что по-русски означает КБА (ко-роткоцикловая безнагревная адсорбция), о котором было указано ранее, как более прогрессивном методе, имеет преимущество перед методом TSA. Главная отличительная особенность этого метода состоит в том, что циклы адсорбции и десорбции проводятся при одной и той же температуре, но парциальное давление адсорбирующих компонентов при адсорбции больше, чем при десорбции. Таким образом, преимущество методаР8Аперед методом TSA состоите том, что в PSA отсутствует стадия нагрева и охлаждения адсорбера, требующего больших затрат энергии и времени.
При выборе технологических схем адсорбционных процессов очистки и разделения газов необходимо учитывать многочисленные и разнообразные аспекты организации данных процессов, еще сложнее создать оптимальный вариант управления этим процессом. Несмотря на все многообразие существующих технических решений организации процессов адсорбционной очистки и разделения газовых смесей, основным этапом в процессе разработки установок КБА является физическое моделирование. Изменение давления, температуры и других параметров оказывает непосредственное влияние на качественные показатели адсорбци онного процесса. Полноценный учет перечисленных факторов в условиях физического моделирования приводит к значительным затратам финансов, времени и трудовых ресурсов. На практике приходится искать компромисс между себестоимостью производимой установки и уровнем ее эффективности [16; 75; 101].
Поэтому целесообразным является включение в процесс разработки технологической схемы и системы управления этапа математического моделирования на основе теории адсорбционных процессов, теории автоматического управления химико-технологических процессов. Наличие адекватной математической модели позволит искать новые пути повышения эффективности установок КБА, сократить время научно-исследовательских и пусконаладочных работ, а также подойти к формированию методики расчета процессов очистки и разделения газовых смесей в условиях короткоцикловой безнагревной адсорбции [16; 53; 70; 75; 101].
Необходимость и важность управления процессами, протекающими в установках КБА, очевидна. Обеспечение заданных качественных показателей и параметров управления работы установки КБА в широком диапазоне возмущающих воздействий, невозможно без разработки высокоэффективных систем управления. Кроме того, выбор закона управления и технических средств автоматизации определяет устойчивость показателей эффективности работы установки в течение длительного периода функционирования газоразделительной установки [53; 101].
1Адсорбция-всеобщее и повсеместное явление, имеющее место всегда, где есть поверхность раздела между фазами. Основы современных представлений о физике адсорбции были заложены еще в начале прошлого века Ирвингом Ленгмюром, но, несмотря на огромный прогресс в понимании процесса адсорбции газов на различных поверхностях, механизм данного процесса требует дальнейшего изучения [15; 34; 42; 57].
В самых общих понятиях адсорбция обозначает изменение концентрации вещества на границе раздела фаз по сравнению с объемом. В настоящее время этим термином обозначают также и процесс поглощения, и количество поглощенного вещества, отнесенного к единице площади поверхности (размерность ммол ъ/м2 ) массы адсорбента (размерность- ммолъ/г ) Адсорбция имеет место на границе раздела фаз: газ-твердое тело, жидкость-твердое тело, газ-жидкость в отсутствии химического взаимодействия или растворения. Адсорбент- вещество, на поверхности которого происходит процесс адсорбции. Адсорбатом называют уже адсорбированное вещество, находящееся на поверхности или в объеме пор адсорбента; адсорбтивом называют вещество, способное адсорбироваться, но еще не адсорбированное. При этом допускается использование общих терминов: сорбент, сорбат, сорбтив. Процесс, обратный адсорбции, называют десорбцией [15; 57; 92].
Адсорбция газа или растворенного вещества на поверхности твердого тела является процессом, протекающим самопроизвольно, когда адсорбция уменьшает энергию Гиббса поверхности. Таким образом, на поверхности твердого тела адсорбируются вещества, понижающие поверхностное натяжение его относительно окружающей среды, к таким веществам преимущественно относятся вещества, которые по своей полярности занимают промежуточное место между веществами, образующими эти фазы [42, стр. 504]. С увеличением размера поверхности для данного адсорбента и данного адсорбируемого газа, при прочих одинаковых условиях, количество адсорбируемого вещества будет возрастать.
Объем газовой фазы в слое адсорбента образован промежутками между зернами, а объем твердой фазы слоя образован контактирующими между собой зернами адсорбента. Обаэтих объема отличаются нерегулярностью в распределении основных геометрических параметров, таких как форма промежутков, их связь между собой, доля объема промежутков от общего объема слоя в рассматриваемой области адсорбера [75; 101]. Распределение этих фаз внутри зерна также отличаются существенной нерегулярностью, например, характерный размер пор может меняться на несколько порядков: отмикропор \0 9м до крупных мезопор 10 м или макропор 10 м [101]. Поэтому, к хорошим адсорбентам относятся материалы, которые обладают сильно развитой поверхностью, что свойственно веществам, имеющим пористую, губчатую структуру, или вещества, находящиеся в состоянии тонкого измельчения (высоко дисперсно иные) [42].
При описании состояния околоадсорбционного слоя используют различные подходы [25; 27; 33; 96]. При адсорбции газов на твердых телах описание взаимодействия адсорбата с поверхностью адсорбента представляет сложную задачу, определяющую характер взаимодействия. Обычно задачу упрощают, рассматривая два крайних случая, взаимодействие, обусловленное физическими и химическими силами - соответственно физическую и химическую адсорбцию.
Адсорбция, как правило, является обратимой и уменьшается с повышением температуры. Хемосорбция - поглощение газов или растворенных веществ, твердыми или жидкими поглотителями, сопровождающееся образованием химических соединений [15]. Косвенным определением критерия адсорбции является значение теплоты адсорбции Q, то есть теплоты, выделяющейся в процессе адсорбции и отнесенной к одному молю адсорбата. Если Q 30 ч- 40 кДж/молъ, говорят о физической адсорбции, при Q 30 ч- 40 кДж/молъ - о хемосорбции.
Как было отмечено ранее, основы современных представлений о физике адсорбции были заложены Ирвингом Ленгмюром. Теория Ленгмюра основывается на следующих предположениях [106]:
Математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа
Представление химико-технологическогопроцессакак сложной иерархической структуры позволяет раз делить данный процесс на отдельные составные части, что значительно упрощает задачу изучения какой-либо стороны процесса и построения его математической модели процесса [39]. При разработке и оптимизации условий проведения процесса разделения газовых смесей необходимо знание различных данных о процессе: термодинамических (изотермы, параметры, теплоты), кинетических (гидравлика, массообмен, скорость) при варьируемых внешних параметрах (температуре, давлении). Такие данные требуются как для чистых компонентов (азот, кислород), так и для примесей. Различные масштабные уровни моделирования процессов разделения газовых смесей дают возможность описывать процессы адсорбции разносторонне определять эффективные параметры проведения процесса для различных типов адсорбентов.
Химические реагенты из газовой фазы, адсорбируясь на поверхности твердого тела, образуют слой, в котором могут протекать гетерогенные, гетерофазные реакции. С макроскопической точки зрения, слой адсорбата представляет нелинейную среду, в которой происходит обмен между газовой и твердой фазами энергией и веществом. Поэтому состояние атомов на поверхности, отличается от состояния атомов в объеме. Если учесть, что площадь поверхности растет пропорционально квадрату его геометрических размеров, объем пропорционально кубу, то для больших тел поверхностными эффектами можно пренебречь. С другой стороны, чем больше отношение площади поверхности к его объему, тем сильнее сказываются влияния поверхностных эффектов. Таким образом, если вещество находится в мелко-дисперсионном состоянии, то такая система обладает развитой поверхностью и поверхностными эффектами пренебрегать нельзя [32; 62; 95].
Реальные адсорбенты, как правило, неоднородные для достаточно точного описания процесса адсорбции необходимо учитывать неоднородность поверхности и латеральные взаимодействия молекул адсорбата [96]. В этом случае теоретическое обоснование поверхностных явлений, основанное на математическом моделировании масштаба отдельных центров адсорбции \0 9 м , служит одним из способов расчета адсорбционных характеристик.
В настоящее время существует два подхода к моделированию эволюции состояния поверхности газ - твердое тело: детерминистический и стохастический. Детерминистический подход сводится к решению систем нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих плотность покрытия поверхности адсорбированными веществами [30; 31; 33; 51; 52]. Необходимым условием для вывода таких уравнений является предположение о том, что адсорбированный слой содержит бесконечное множество частиц. Другими словами, детерминистические модели предполагают отсутствие пространственных корреляций и флуктуации. Приближенный характер такого рассмотрения не всегда оправдан [51; 52]. Внутренние флуктуации способны существенным образом влиять на эволюцию макроскопических характеристик реакционной системы вблизи бифуркационных точек. В этом случае роль спонтанных флуктуации становится решающей [33; 51; 52].
Стохастические модели учитывают флуктуации естественным образом. Еще одним доводом для использования стохастических моделей, являются реакции в системах с малым числом реагирующих частиц, где поверхность насчитывает лишь несколько тысяч атомов [51; 52; 65].
Одной из причин появления пространственных корреляций являются латеральные взаимодействия между адсорбированными частицами. Такие взаимодействия могут приводить к упорядоченности в расположении адсорбированных частиц на поверхности решетки и оказывать существенное влияние на скорости физико-химических процессов [35; 51; 52].
Стохастический подход, или имитационное моделирование, основан на методе Монте-Карло или методе статистического моделирования [7; 91]. В основном, стохастический подход к моделированию процесса адсорбции был использ о-ван в процессах мономолекулярной диссоциативной адсорбции-десорбции, миграции и поверхностной реакции на неизменной во времени и однородной по пространству поверхности катализатора [51; 52; 107; 108]. Характерными примерами являются адсорбция монооксида углерода СО, кислорода 02, реакция окисления СО, на поверхности металлов платиновой группы t,Pd,Ir [51; 52]. Общий подход подобного изложения подробно рассмотрен в [33]. 1.10 Совокупная математическая модель КБА
Актуальность математических моделей непрерывно возрастает из-за их гибкости, адекватности реальным системам, невысокой стоимости реализации на ЭВМ, особенно эффективно применение математических моделей на этапах проектирования технологческих процессов и оборудывания, когда особо высока цена ошибочных решений [53]. Использование ресурсов современной вычислительной техники позволяет расширить возможности построения математических моделей и увеличить их сложность в соответсвие с тенденциями развития технического прогресса.
Моделирование также является эффективным средством иследования и проектирования различных автоматизированных систем упраления на различных уровнях химико-технологических процессов, существенная осбенность которых состоит в том, совкупность составляющих их явлений носит детерминированно-стохастическую природу [39; 40].
Параметры модели
Автоматизированная система моделирования (АСМ) позволяет повысить эффективность выполнения пользователем следующих этапов имитационного моделирования: - преобразование к типовым математическим схемам элементов моделируемой системы и построения схем сопряжения; - обработка и анализ результатов моделируемой системы; - реализация интерактивного режима с пользователем в процессе моделирования системы [1; 3].
Весь круг работ, связанных с разработкой алгоритмов и программ моделирования, с подготовкой и проведением машинных экспериментов, называется автоматизацией моделирования и реализуется в виде конкретных АСМ [1; 3; 7; 13].
АСМ состоит из трех основных компонентов: функциональное наполнение (совокупность конструктивных элементов (модулей), из которых составлена схема (модель)); системное наполнение (набор программ, отражающих специфику реализации АСМ и обеспечивающих функционирование системы: трансляцию и исполнение заданий); язык заданий (служит для описания задач, вводимых в систему).
Автоматизированная система моделирования процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа и расчета параметров управления ориентирована на решение следующих основных задач: 1. Формирование состояния фрагмента (подсистема формирования состояния фрагмента). 2. Расчет скорости процесса по введенным параметрам модели: предэкспо-ненциальному множителю, энергии активации каждой элементарной стадии; пар 68 циальному давлению, температуре, универсальной газовой постоянной (подсистема расчета скорости процесса). 3. Определение модельного времени нахождения системы в текущем состоянии (подсистема расчета модельного времени). 4. Определение зависимости изменения скорости процесса от количества узлов поверхности (программный модуль «VR = KC K)-cos? »), от степени заполнения поверхности (программный модуль « VR = V JC - cost »), от парциального давления (программный модуль «VR =V 0 -cost »). 5. Определение зависимости времени нахождения системы в текущем состоянии от степени заполнения поверхности (программный модуль 6. Определение влияния изменений внутренних и внешних параметров на скорость процесса (подсистема изменения параметров). Структурная схема автоматизированной системы моделирования процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа и расчета параметров управления представлена на рисунке 3.1.
На рисунке 3.2.приведен иллюстративный алгоритм работы, который отражает возможные операции пользователя при работе с системой.
Использование программного обеспечения осуществляется следующим образом: на этапе (шаги: 1-3) задаются параметры процесса, моделируется состояние фрагмента в текущий момент времени и рассчитывается скорость по узлам фрагмента, осредненная скорость процесса за время х в зависимости от параметров построенной модели.
На втором этапе (шаги: 4-6) предоставляется выбор исследования влияния внутренних и внешних параметров на скорость процесса. При этом система автоматически определит зависимость влияния, рассчитает и построит графики соответствующих изменений. Автоматизированная система моделирования процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа и расчета параметров упюавления Подсистема формирования состояния фрагмента Подсистема расчета скорости процесса
Для разработки автоматизированной системы моделирования и расчета параметров управления было использовано следующее программное обеспечение: Использовано следующее программное обеспечение: ОС: Microsoft Windows 8; среда визуального программирования Embarcadero RAD Studio ХЕЗ (Delphi ХЕЗ). 3.2 Параметры модели
Расчет скорости адсорбции кислорода на поверхности моносульфида предполагает наличие входных данных, которыми являются внутренние и внешние параметры модели. К внутренним параметрам модели относятся: предэкспонен-циальный множитель каждой элементарной стадии; энергия активации каждой элементарной стадии; энергия латерального взаимодействия между адсорбированными частицами. К внешним параметрам модели относится парциальное давление, температура, универсальная газовая постоянная.
Таким образом, полученная разработка позволяет при физическом описании адсорбции кислорода на неоднородной поверхности адсорбента, определять влияние входных переменных на скорость процесса адсорбции, происходящего в адсорбере, и как следствие, определять параметры, обеспечивающие максимальную эффективность процесса. Программный комплекс предназначен для персонального компьютера (ПК), что позволяет использовать данную разработку в обычных условиях, в том числе и в учебном процессе.
Полученную модель, алгоритм расчета и автоматизированную систему моделирования можно использовать для исследования влияния внутренних и внешних параметров при адсорбции любого двухатомного газа на неоднородной поверхности адсорбента, имеющего симметричную структуру и вступающего в поверхностную реакцию с адсорбатом.
При этом возникает вопрос, насколько близки соотношения распределения VR при физическом измерении скорости реакции и математическом моделировании - соответствующей компьютерной программы. В работе [104] показано, что результаты физических экспериментов и результаты расчетов по программам носят дискретный характер, имеют схожую структуру гистограмм и не зависят от используемых методов измерений и природы изучаемых объектов. Феномен данного явления объясняется в сравнении тонкой структуры распределений двух генераторов «случайных чисел»: физического процесса и математического - компьютерной программы. Схожесть полученных распределений обусловлена арифметическими причинами, и эти причины одинаковы и в физических процессах, и в компьютерных программах. Основной арифметической причиной дискретности результатов в физических и математических генераторах случайных чисел, являются алгоритмы умножения, деления, возведения в степень, характерные для обоих случаев [104].
Влияние константы скорости миграции на скорость процесса
Расчетное время нахождения системы в текущем состоянии имеет особое значение. Чем меньше время т скорости реакции, тем эффективнее будет осуществляться процесс разделения газов.
Исследование проводились для различных размеров фрагмента L при разной степени заполнения 6 . В каждом из случаев, получаем стабильный результат. Независимо от того, каков размер фрагмента L, время т скорости процесса, зависит от степени заполнения фрагмента. На рисунке 4.13 показано колебания концентраций Q кислорода на реакционной поверхности моносульфида железа. Приближенный временной интервал, на котором наблюдается колебания концентраций 02, А? — 0, и составляет приблизительно от 10" до 10" с. С увеличени ем t до 10" с концентрация 02 на поверхности увеличивается, что отвечает условиям стационарной системы. Дальнейшее увеличение времени приводит к качественно новому эффекту: колебания средних концентраций и средней скорости реакции затухают во времени, что показано на рисунке 4.13, полученном при расчетах на фрагменте 1 = 10000 узлов.
Колебания концентрации Q 02 по алгоритму стохастической модели Полученные результаты расчетов не противоречат эвристической оценке времени взаимодействия кислорода с поверхностью моносульфида железа, которое получено в главе 4 (раздел 4.1) и составляет t = 10"3с.
Построение совокупной математической модели процесса КБА (рисунок 1.7) представляет довольно сложную задачу, в рамках которой необходимо построить взаимосопряженные математические модели сорбционных, тепловых гидромеханических процессов, протекающих в установке, а также дополнить математическим описанием внешних возмущений [53]. В основе совокупной математической модели процессаКБА лежат сорбционные процессы, протекающие в адсорберах установки, математическая модель которых представлена в данной работе. Как было указано ранее, в главе 1, к входными переменными процесса адсорбционного разделения газовых смесей, как объекта управления относится время полуцикла, давление исходной сжатой смеси и другие переменные. При решении задач проектирования установок адсорбционного разделения газовых смесей к входным переменным можно отнести тип адсорбента, количество адсорберов и так далее. При определении подобных параметров на современном этапе развития науки и техники имитационное моделирование становиться наиболее эффективным, а часто единственным доступным методом получения информации о поведении ситемы на этапе ее проектирования.
Разработанная математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфидажелеза в первую очередь предназначена для проведения имитационных исследований с целью определения параметров управления адсорбционного разделения газовых смесей.
В результате проведенных имитационных исследований была произведена оценка различных параметров различных параметров на характер протекания процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа: 1) время контакта кислорода с поверхностью моносульфида железа; 2) изменение давления на реакционную систему; 3) объемного расхода адсорбента; 4) степень покрытия адсорбента чистым продуктом. Проведенные имитационные исследования позволяют сделать вывод о зависимости скорости реакции VR от изменения количества узлов фрагмента L и степени заполнения поверхности G . И в первом и во втором случае зависимость носит обратный характер, то есть
В условиях физического моделирования, когда необходимо анализировать недетерминированные процессы с многозначной стохастической картиной связи между явлениями, такие выводы получить затруднительно [39].
Из анализа литературы следует [42], что поглощение первых порций кислорода металлами сопровождается образованием его соединений с наиболее активными атомами поверхности адсорбента, поэтому включение в процесс разработки химического взаимодействияадсорбатас поверхностью адсорбента дает возможность в рамках небольшого производства использовать это условие. При этом процесс протекает при малом времени контакта, которое является наиболее выгодным в условиях разделения газовых смесей, чистым продуктом которого является азот.
Представленные результаты исследований дают основание полагать, что математическая модель процесса адсорбции кислорода на поверхности моносульфида железа, и, как следствие автоматизированная система моделирования процесса адсорбции и расчета параметров управления для проведения имитационных исследований на масштабном уровне отдельных адсорбционных центров Поскольку исследуемый процесс при больших размерах фрагмента и различном давлении качественно не изменяет средних характеристик, то разделение газовых смесей по адсорбционному методу можно проводить без изменения давления, что является преимуществом существующего на сегодняшний день процесса разделения газов по способу КБА (PSA).
Расчетное время процесса составило 10 6 -10 5с при условии, что степень покрытия поверхности чистым продуктом будет составлять менее 90%. При таком малом времени контакта необходимо учитывать, что флуктуации скорости физико-химических процессов взаимодействия кислорода с поверхностью моносульфида железа достигают максимума при 0 = 50 %. С увеличением степени запол 101
нения система будет входить в режим автоколебаний и скорость процесса будет флуктуировать около своих детерминистических значений.
Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что повышение эффективности безнагревных коротко цикловых адсорбционных процессов разделения и очистки газов в зависимости от типа сорбента и адсорбционных характеристик системы адсорбент-адсорбтив, можно достигнуть путем сокращения времени процессадо tnin =10"6 -10 5с и первоначальном заполнении слоя адсорбента чистым продуктом 25%.
Похожие диссертации на Автоматизация управления технологическими процессами разделения газов в промышленности
