Теоретические основы химической технологии, 2020, T. 54, № 5, стр. 643-648
Квазиинварианты химических реакций в реакторе идеального вытеснения
Н. И. Кольцов *
Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова
Чебоксары, Россия
* E-mail: koltsovni@mail.ru
Поступила в редакцию 22.07.2019
После доработки 13.11.2019
Принята к публикации 20.11.2019
Аннотация
Математические модели неравновесных процессов в распределенных системах описываются дифференциальными уравнениями в частных производных с заданными краевыми условиями и, как правило, не могут быть решены аналитически. Отсутствие точных решений таких моделей не позволяет найти точные инварианты, т.е. функции строго постоянные на этих решениях. В данной статье разработан метод определения приближенных пространственно-временных кинетических инвариантов (квазиинвариантов) химических реакций, не учитывающих диффузию, в условиях реактора идеального вытеснения. Пространственно-временные квазиинварианты представляют собой явные алгебраические выражения, связывающие неравновесные значения концентраций реагентов и/или температур, измеренных в двух или более экспериментах с различными специально подобранными начальными и входными условиями (мультиэкспериментах). Подбор подходящих начальных условий позволяет найти такие функции от решений, которые слабо зависят от времени и длины реактора, т.е. остаются практически постоянными в течение всей реакции во всем объеме реактора. Показано, что число квазиинвариантов определяется числом независимых переменных модели (концентраций реагентов и температуры). Применение метода проиллюстрировано на примере одностадийной реакции, протекающей в реакторе идеального вытеснения. Найденные для этой реакции квазиинвариантные 3D-поверхности сопоставлены с 3D-графиками изменения концентраций и температуры в ходе реакции. Показано, что квазиинварианты изменяются в меньшем диапазоне (по оси ординат), чем соответствующие им концентрации и температуры в разных экспериментах, т.е. являются пространственно-временными приближенными инвариантами. Такого рода квазиинварианты можно “наблюдать” на зависимостях переменных модели (концентраций, температур) от времени и длины реактора в виде различных сплющенных трехмерных структур (“лежачих” волн). Метод расширяет инструментарий анализа нестационарной кинетики химических реакций в распределенных системах идеального вытеснения.
ВВЕДЕНИЕ
Реальные физико-химические и биологические системы, как правило, неоднородны (распределены во времени и пространстве). Различные подходы к моделированию распределенных и сосредоточенных систем для анализа процессов в химических реакторах изложены в ставших классическими монографиях Д.А. Франк-Каменецкого, Р. Ариса, М.Г. Слинько, Д. Перлмуттера, Б.В. Вольтера, И.Е. Сальникова, В.С. Бескова, Ю.Ш. Матроса, Г.М. Островского, Г.С. Яблонского, В.И. Быкова и др. (см., например, [1–12]). В этих работах показано, что при описании таких моделей дифференциальными уравнениями в частных производных могут воспроизводиться различные нестационарные эффекты (стоячие, бегущие, квазистохастические волны, синхронные автоколебания и др.) и стационарные неоднородные распределения (диссипативные структуры). Одной из недавно обнаруженных нестационарных характеристик химических систем являются концентрационные инварианты, которые представляют собой комбинации неравновесных концентраций реагентов, остающиеся строго постоянными в течение всей реакции. Впервые на них обратили внимание Г.С. Яблонский с соавторами [13–20], предложившие и развившие метод граничных дуал-экспериментов (МДЭ) для нахождения точных концентрационных инвариантов линейных и некоторых нелинейных реакций. Недавно получено и экспериментальное подтверждение существования таких инвариантов в нелинейной реакции [21]. Однако результаты этих работ применимы только в закрытых системах при использовании граничных взаимно-обратных (термодинамических) экспериментов, проводимых при полном отсутствии продукта или полном отсутствии исходного реагента. В общем случае, т.е. для произвольных нелинейных реакций, эти результаты не применимы и точные инварианты найти не возможно, но можно найти приближенные концентрационные и температурные инварианты (квазиинварианты), т.е. комбинации неравновесных концентраций реагентов или температур, остающиеся практически постоянными в течение всей реакции. Обнаружить их можно методом мультиэкспериментов (ММЭ), применимым для сложных реакций и любых (не только граничных) экспериментов в сосредоточенных системах в условиях реактора идеального смешения (РИС) [22–24]. Целью данной работы является обобщение ММЭ на нелинейные реакции, протекающие в распределенных системах в условиях реактора идеального вытеснения (РИВ). Обобщенный ММЭ позволяет рассчитать две новые характеристики распределенных систем – пространственно-временные концентрационные и температурные квазиинварианты.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Пусть реакция с участием веществ Aj протекает через стадии
(1)
$\begin{gathered} {{a}_{i}}_{1}{{{\mathbf{A}}}_{1}} + {{a}_{i}}_{2}{{{\mathbf{A}}}_{2}} + \ldots + {{a}_{{ij}}}{{{\mathbf{A}}}_{j}} = \\ = \,\,{{b}_{i}}_{1}{{{\mathbf{A}}}_{1}} + {{b}_{i}}_{2}{{{\mathbf{A}}}_{2}} + \ldots + {{b}_{{ij}}}{{{\mathbf{A}}}_{i}}, \\ \end{gathered} $(2)
${{\partial {{A}_{j}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial {{A}_{j}}} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + q{{\partial {{A}_{j}}} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial {{A}_{j}}} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = {{\Sigma }_{i}}({{b}_{{ij}}} - {{a}_{{ij}}}){{r}_{i}},$(3)
${{\partial T} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial T} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + q{{\partial T} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial T} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = b{{\Sigma }_{i}}{{r}_{i}}{{Q}_{{i~}}} + \,\gamma \left( {{{T}_{x}}--T} \right),$(4)
$\begin{gathered} {{A}_{j}}(0,l) = {{A}_{j}}_{0}(l),\,\,T(0,l) = {{T}_{0}}(l), \\ {{A}_{j}}(t,0) = {{A}_{j}}_{0}(t),\,\,T(t,0) = {{T}_{0}}(t), \\ \end{gathered} $(5)
${{\partial {{A}_{j}}(0,l)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial {{A}_{j}}(0,l)} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = 0,\,\,{{\partial T(0,l)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial T(0,l)} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = 0,$Временные квазиинварианты. Разложим неизвестные решения системы (2)–(5) в ряд по двум переменным t и l:
(6)
$\begin{gathered} {{A}_{j}}\left( {t,l} \right) \approx {{A}_{j}}\left( {0,0} \right) + \\ + \,\,t\partial {{A}_{j}}{{\left( {0,0} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {0,0} \right)} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + l\partial {{A}_{j}}{{\left( {0,0} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {0,0} \right)} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}}, \\ \end{gathered} $(7)
$T\left( {t,l} \right) \approx T\left( {0,0} \right) + t\partial T{{\left( {0,0} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {0,0} \right)} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + l\partial T{{\left( {0,0} \right)} \mathord{\left/ {\vphantom {{\left( {0,0} \right)} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}}.$Перепишем эти соотношения с учетом (2)–(5):
(9)
$T \approx {{T}_{0}} + t\left[ {\beta {{\Sigma }_{i}}{{r}_{i}}{{Q}_{i}} + \gamma \left( {{{T}_{x}}--T} \right)} \right].$Вычислим эти выражения для двух неравновесных НУ Aj01, T01 и Aj02, T02:
(10)
$\begin{gathered} {{A}_{{j1}}} - {{A}_{{j01}}} \approx t{{\Sigma }_{i}}({{b}_{{ij}}} - {{a}_{{ij}}}){{r}_{{i01}}}, \\ {{A}_{j}}_{2} - {{A}_{j}}_{{02}} \approx t{{\Sigma }_{i}}({{b}_{{ij}}} - {{a}_{{ij}}}){{r}_{{i02}}}, \\ \end{gathered} $(11)
$\begin{gathered} {{T}_{1}} - {{T}_{{01}}} \approx \gamma ({{T}_{x}}--{{T}_{{01}}})t + t\beta {{\Sigma }_{i}}{{Q}_{i}}{{r}_{{i01}}}, \\ {{T}_{2}} - {{T}_{{02}}} \approx \gamma ({{T}_{x}}--{{T}_{{02}}})t + t\beta {{\Sigma }_{i}}{{Q}_{i}}{{r}_{{i02}}}, \\ \end{gathered} $(12)
${{I}_{j}} \equiv {{A}_{{j1}}} - {{A}_{{j2}}}{{R}_{{j0}}} \approx {{A}_{{j01}}} - {{A}_{{j02}}}{{R}_{{j0}}} \equiv {{K}_{{j0}}},$(13)
$T \equiv {{T}_{1}} - {{T}_{2}}{{R}_{{T0}}} \approx {{T}_{{01}}} - {{T}_{{02}}}{{R}_{{T0}}} \equiv {{K}_{{T0}}},$(14)
$\begin{gathered} {{K}_{{j\infty }}} \equiv {{A}_{{j\infty }}}(1 - {{R}_{{j0}}}) \approx {{K}_{{j0}}}, \\ {{K}_{{T\infty }}} \equiv {{T}_{\infty }}(1 - {{R}_{{T0}}}) \approx {{K}_{{T0}}}, \\ \end{gathered} $Пространственные квазиинварианты. Выберем вместо (5) другие входные условия ∂Aj(t,0)/∂t = 0, ∂T(t,0)/∂t = 0 и подставим их в (6)–(7), тогда соотношения (8)–(9) примут вид
(15)
$\begin{gathered} {{A}_{j}} \approx {{A}_{{j0}}} + ({l \mathord{\left/ {\vphantom {l q}} \right. \kern-0em} q}){{\Sigma }_{i}}({{b}_{{ij}}} - {{a}_{{ij}}}){{r}_{i}}, \\ T \approx {{T}_{0}} + ({l \mathord{\left/ {\vphantom {l q}} \right. \kern-0em} q})[\beta {{\Sigma }_{i}}{{r}_{i}}{{Q}_{i}} + \gamma ({{T}_{x}}--T)]. \\ \end{gathered} $Вычислим эти выражения для тех же НУ (4), исключим из них l и получим n+1 основных пространственных квазиинвариантов, которые совпадают по форме с (12)–(13), но получены из других уравнений. Таким образом, выражения (12)–(13) являются пространственными и временными квазиинвариантами.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Применим полученные соотношения к реакции
Для этой реакции система (2)–(3) примет вид
(1.2)
${{\partial A} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial A} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + q{{\partial A} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial A} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = - {{r}_{1}},\,\,{{\partial B} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial B} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + q{{\partial B} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial B} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = {{r}_{1}},$(1.3)
${{\partial T} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial T} {\partial t}}} \right. \kern-0em} {\partial t}} + q{{\partial T} \mathord{\left/ {\vphantom {{\partial T} {\partial l}}} \right. \kern-0em} {\partial l}} = \beta {{Q}_{1}}{{r}_{1}} + \gamma \left( {{{T}_{x}}--T} \right),$(1.4)
${{I}_{A}} \equiv {{A}_{1}} - {{A}_{2}}{{R}_{{A0}}} \approx {{A}_{{01}}} - {{A}_{{02}}}{{R}_{A}} \equiv {{K}_{{A0}}},$(1.5)
${{I}_{B}} \equiv {{B}_{1}} - {{B}_{2}}{{R}_{{B0}}} \approx {{B}_{{01}}} - {{B}_{{02}}}{{R}_{B}} \equiv {{K}_{{B0}}},$(1.6)
${{I}_{T}} \equiv {{T}_{1}} - {{T}_{2}}{{R}_{{T0}}} \approx {{T}_{{01}}} - {{T}_{{02}}}{{R}_{T}} \equiv {{K}_{{T0}}},$(1.7)
$\begin{gathered} {{K}_{{A\infty }}} \equiv {{A}_{\infty }}(1 - {{R}_{{A0}}}) \approx {{A}_{{01}}} - {{A}_{{02}}}{{R}_{{A0}}}, \\ {{K}_{{B\infty }}} \equiv {{B}_{{j\infty }}}(1 - {{R}_{{B0}}}) \approx {{B}_{{01}}} - {{B}_{{02}}}{{R}_{{B0}}}, \\ \end{gathered} $(1.8)
${{K}_{{T\infty }}} \equiv {{T}_{\infty }}(1 - {{R}_{{T0}}}) \approx {{T}_{{01}}} - {{T}_{{02}}}{{R}_{{T0}}}.$Линейные комбинации выражений (1.4)–(1.6) тоже являются квазиинвариантами.
Рассчитаем условия экспериментов для “наблюдения” квазиинвариантов. Пусть константы скоростей и энергии активации стадий k10 = 2, k−10 = 1 и E1= E−1= 2, температуры T0= 300, Tx = 200 и R = 2, β = γ = 1, q = 1; Q1 = 1, A0 = 1, B0 = 0. Выберем, с учетом ЗС, для пары экспериментов НУ, например: A01 = 1, B01 = 0, T01 = 300 и A02 = 0, B02 = 1, T02 = 310, тогда KA0 = 1, KB0 = 2, KT0 ≈ 26 и KA∞ = 1, KB∞ = 2, KT∞ ≈ 36, $I_{A}^{*}$ ≈ $I_{B}^{*}$ ≈ $I_{T}^{*}$ ≈ 2. Зависимости концентраций реагента А от времени и длины реактора для этих экспериментов приведены на рис. 1 и 2.
Пространственно-временные квазиинварианты для реагента A (1.4) и температуры (1.6) для этой пары экспериментов показаны на рис. 3 и 4.
Из этих рисунков видно, что пространственно-временные квазиинвариантные зависимости практически постоянны во времени и по длине реактора и изменяются значительно меньше, чем соответствующие неравновесные концентрации реагента или температуры. Визуально подобные квазиинварианты могут представлять собой и более сложные сплющенные трехмерные структуры (“лежачие” волны, улитки, подушки и т.д.).
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Разработано обобщение ММЭ для химических реакций, протекающих в распределенных неизотермических системах, в условиях РИВ с кинетикой закона действующих масс. Метод не требует знания точных решений дифференциальных уравнений в частных производных, а основан на анализе приближенных решений этих уравнений, соответствующих любым начальным условиям (необязательно граничным как в МДЭ). Метод позволяет обнаруживать два типа пространственно-временных квазиинвариантов (концентрационные и температурные) для химических реакций в РИВ и рассчитать условия проведения соответствующих экспериментов. На графиках зависимости от времени и длины реактора пространственно-временные квазиинварианты напоминают “лежачие” волны, дополняя список известных ранее нестационарных эффектов (стоячие, бегущие и другие волны). Теоретическая и практическая значимость метода состоит в следующем: улучшение понимания закономерностей неравновесных химических процессов в реакторах идеального вытеснения; возможность обнаруживать множество (по числу реагентов) новых неравновесных квазиинвариантных характеристик химических процессов; возможность априори предсказывать, обнаруживать и исследовать неизвестные кинетические закономерности в реакциях, протекающих в распределенных системах без учета диффузии; появление новых инструментов идентификации механизмов химических реакций; возможность поиска новых путей повышения эффективности режимов работы химических реакторов.
Автор выражает благодарность В.Х. Федотову за внимательные и полезные обсуждения результатов работы.
ОБОЗНАЧЕНИЯ
Aj | концентрации реагентов, мол. д. |
aij, bij | безразмерные стехиометрические коэффициенты |
Ср | удельная теплоемкость, Дж/(кг К) |
E±i | энергии активации стадий |
F | площадь поверхности теплообмена, м2 |
k±i | константы скоростей стадий, 1/с |
k±i0 | предэкспоненты скоростей стадий, 1/с |
L | безразмерная общая длина реактора |
l | безразмерная текущая длина реактора |
Qi | тепловые эффекты стадий, Дж |
q | линейная скорость потока, м/c |
R | газовая постоянная |
ri | скорости стадий, 1/с |
S | площадь поперечного сечения, м2 |
T | текущая температура, К |
Tx | температура стенки реактора, К |
t | время, с |
α | коэффициент теплопередачи, Вт/(м2 К) |
ρ | плотность теплоносителя, кг/м3 |
ИНДЕКСЫ
Список литературы
Франк-Каменецкий Д.А. Основы макрокинетики. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. М.: Интеллект, 2008.
Арис Р. Анализ процессов в химических реакторах. Л.: Химия, 1967.
Слинько М.Г. Моделирование химических реакторов. Новосибирск: Наука, 1968.
Перлмуттер Д. Устойчивость химических реакторов. Л.: Химия, 1976.
Вольтер Б.В., Сальников И.Е. Устойчивость режимов работы химических реакторов. М.: Химия, 1981.
Матрос Ю.Ш. Нестационарные процессы в каталитических реакторах. Новосибирск: Наука, 1982.
Яблонский Г.С., Быков В.И., Горбань А.Н. Кинетические модели каталитических реакций. Новосибирск: Наука, 1983.
Бесков В.С. Общая химическая технология. М.: Академкнига, 2005.
Быков В.И., Цыбенова С.Б. Нелинейные модели химической кинетики. М.: URSS, 2011.
Островский Г.М., Волин Ю.М., Зиятдинов Н.Н. Оптимизация в химической технологии. Казань: Фэн, 2005.
Ziyatdinov N.N. Modeling and Optimization of Chemical-Technological Processes and Systems // Theor. Found. Chem. Eng. 2017. V. 51. № 5. P. 889. [Зиятдинов Н.Н. Моделирование и оптимизация химико-технологических процессов и систем // Теор. осн. хим. технол. 2017. Т. 51. № 5. С. 546.]
Bykov V.I., Tsybenova S.B., Yablonsky G.S. Chemical Complexity via Simple Models. Berlin: De Gruyter, 2018.
Yablonsky G.S., Constales D., Marin G.B. Equilibrium relationships for non-equilibrium chemical dependences // Chem. Eng. Sci. 2011. V. 66. P. 111.
Constales D., Yablonsky G.S., Marin G.B. Thermodynamic time invariances for dual kinetic experiments: Nonlinear single reactions and more // Chem. Eng. Sci. 2012. V. 73. P. 20.
Constales D., Yablonsky G.S., Marin G.B. Intersections and coincidences in chemical kinetics: linear two-step reversible-irreversible reaction mechanism // Comput. Math. Appl. 2013. V. 65. № 10. P. 1614.
Yablonsky G.S. Decoding Complexity of Chemical Reactions // Theor. Found. Chem. Eng. 2014. V. 48. № 5. P. 608. [Yablonsky G.S. Decoding Complexity of Chemical Reactions // Теор. осн. хим. технол. 2014. Т. 48. № 5. С. 551.]
Branco P.D., Yablonsky G.S., Marin G.B., Constales D. New Patterns in Steady-State Chemical Kinetics: Intersections, Coincidences, Map of Events (Two-Step Mechanism) // Entropy. 2015. V. 17. № 10. P. 6783.
Branco P.D., Yablonsky G.S., Marin G.B., Constales D. Gateway analysis for complex reaction mechanisms: Kinetic informative detachable (KID) sub-mechanisms // Chem. Eng. Sci. 2018. V. 178. P. 183.
Branco P.D., Yablonsky G.S., Marin G.B., Constales D. New invariances of chemical reactions from Scaled Incremental Conversion (SIC) // Chem. Eng. Sci. 2018. V. 184. P. 25.
Yablonsky G.S., Branco P.D., Marin G.B., Constales D. Conservatively perturbed equilibrium in chemical kinetics // Chem. Eng. Sci. 2019. V. 196. P. 384.
Peng B., Yablonsky G.S., Constales D., Marin G.B. Experimental confirmation of a new invariant for a non-linear chemical reaction // Chem. Eng. Sci. 2018. V. 191. P. 262.
Федотов В.Х., Кольцов Н.И. Метод определения квазиинвариантов в кинетике химических реакций // Изв. высш. учебн. завед. Хим. хим. технол. 2016. Т. 59. № 5. С. 72.
Федотов В.Х., Кольцов Н.И. Кинетические квазиинварианты химических реакций в открытых системах // Изв. высш. учебн. завед. Хим. хим. технол. 2019. Т. 62. № 8. С. 76.
Fedotov V.Kh., Kol’tsov N.I. Quasi-Invariants of Chemical Reactions with Nonideal Kinetics // Russ. J. Phys. Chem. В. 2019. V. 13. № 2. P. 262. [Федотов В.Х., Кольцов Н.И. Квазиинварианты химических реакций с неидеальной кинетикой // Хим. физ. 2019. Т. 38. № 4. С. 23.]
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Теоретические основы химической технологии