Математическое моделирование и оптимизация целевых технологических процессов, основанных на окислении углеводородов

Номер гранта:14-43-03670
Область научного знания:химия и науки о материалах
Тип конкурса: (р_центр_а)(р_центр_а) региональный конкурс центр
Год выполнения:2014г.
Руководитель: Дубовицкий В.А.
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Окисление лёгких углеводородов рассматривается в настоящее время как основа перспективных технологий в химической промышленности и энергетике. В связи с этим несомненный интерес представляет изучение проблемы наиболее полного и эффективного использования углеводородного сырья. Одно из направлений в решении этой проблемы, особенно интересное в условиях небольших городов, а также добывающих и удаленных регионов, связано с возможностями реализации малотоннажной переработки углеводородного сырья. Понимание физико-химических основ поведения сложной многопараметрической системы, каковой является реагирующая смесь углеводородов и окислителя (воздух, кислород), является ключевым обстоятельством при практической реализация таких процессов в широком диапазоне температур (600-2000 К) и давлений (1-100 атм). Из полученных к настоящему времени экспериментальных данных такого рода, многие из них до сих пор качественно не интерпретированы. Поэтому проведение такой работы, необходимой для оптимизации и управления выходом целевых продуктов и энергии при различных режимах, по-прежнему зависит от создания адекватной математической модели. В проекте предполагается отработать и исследовать математическую модель, описывающую в гидродинамическом приближении проточного трубчатого реактора установившийся дозвуковой поток неизотермически реагирующей смеси газов, и учитывающую уравнения газодинамики, термодинамические соотношения, и детальную кинетику химического превращения. Это позволит в рамках единой модели описать как получение ценных продуктов, так и выработку динамических характеристик газового потока, интересных для энергетики. Вариант модели, описывающий нестационарное окисление углеводородных газов в условиях управляемого изменения объёма, позволит приближенно, но адекватно, описать кинетику горения и отдачи энергии рабочим телом в двигателе внутреннего сгорания (ДВС). Модель будет исследована качественными методами анализа и численно, а ее адекватность протестирована сопоставлением расчетов с экспериментами. Методами теории оптимального управления будут поставлены и исследованы задачи оптимизации целевых продуктов и энергетики процесса в трубчатом реакторе и в периодическом реакторе с регулируемым объёмом. Теоретические результаты будут использованы для контрольных экспериментов. Основу кинетической части модели составит С1-С2 схема окисления метана, разработанная ранее. В предварительных расчётах трубчатого реактора идеального вытеснения с помощью этой модели показана хорошая масштабируемость, и сочетание относительной простоты и управляемости указанного реактора

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

За время выполнения проекта сделано следующее: 1. Рассмотрены две типичные технологические схемы газофазного химического реактора: проточный и периодический реакторы. Проведено уточнение математической модели, описывающей в приближении одномерной многокомпонентной газодинамики проточный реактор с химическим превращением. В итоге построена модель реактора (стационарная и нестационарная) в форме неявной системы дифференциальных уравнений точно согласованной с интегральными законами сохранения по импульсу, энергии, химическим элементам. Модель учитывает диффузию и теплопроводность компонент. Раньше в литературе при рассмотрении проточных реакторов всегда делались чрезмерные упрощения (пренебрежение градиентом по давлению, идеальное вытеснение и т.п.). Другая рассмотренная модель – замкнутый реактор идеального смешения с управляемым изменяющимся во времени объёмом. 2. Оба типа абстрактных реакторов приложены для моделирования окисления углеводородов. Проведено уточнение кинетических механизмов газофазного окисления углеводородов, учтено влияние каналов колебательной релаксации в реакциях с участием водорода и кислорода. 3. Разработаны алгоритмы и программы численного интегрирования дифференциальных уравнений реакторов, основанные на консервативных неявных разностных схемах. Проведены прямые расчёты с использованием реальных схем элементарных реакций парциального окисления углеводородов для проточного реактора и замкнутого реактора с регулируемым изменением объёма. Расчёты показали, что уже при малых скоростях потока в идеальной постановке происходит на бесконечное значение производных решения по пространству (т.е. слабый разрыв или градиентная катастрофа). Благодаря учёту в газодинамических уравнениях вклада диффузии и теплопроводности эффект слабых разрывов решения устранён, что позволило проводить сквозные расчёты на интересующих дозвуковых скоростях потока. Учёт диффузии принципиален и для корректного описания химии процесса , т.к именно интенсивный диффузионный перенос в свежую топливную смесь лёгких радикалов H, O и метила инициирует цепные реакции. 4. Поставлены и частично исследованы для модели стационарного проточного реактора задачи оптимизации продуктов с использованием регулируемой подачи компонент. Поставлена и исследована общая задача оптимального управления замкнутым периодическим реактором с управляемым во времени объёмом и начальным составом компонент. 5. Целью проекта является изучение регулируемых процессов окисления углеводородов. В связи с этим был разработан метод гладкого исключения ограничений типа равенства и установлена соответствующая ему теорема о неявной функции в общей задаче оптимального управления. Предложенный новый конструктивный метод перспективен для решения разнообразных задач оптимального управления и использован в проекте.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 29.03.2024.
Помог ли вам материал?
0    0