Эквивалентные схемы элементарных процессов для формализации механизмов протекания промышленных технологий

Аннотация

Рассмотрены вопросы формализации механизмов протекания промышленных технологий. Предложены эквивалентные схемы некоторых физико-химических процессов.

Полный текст

В настоящее время проведение инженерных расчетов связано с широким применением компьютерного моделирования, в особенности использующего визуальное проектирование различных технических объектов и процессов. Одной из проблем, которые возникают при построении моделей промышленных технологий, основанных на протекании сложных физико-химических процессов, является ограниченность подходов к формализации механизмов их протекания [1]. В этой связи для решения указанной проблемы в настоящей работе предлагается использовать эквивалентные схемы элементарных процессов (ЭСЭП). В качестве структурных элементов ЭСЭП выделены два класса объектов: частицы и процессы. На основании анализа механизмов протекания атомно-молекулярных процессов между ними выделены два типа структурных связей: – участие частиц в процессах; – воздействие соседних частиц на реализацию процессов. Для визуального представления ЭСЭП были разработаны условные графические обозначения (табл. 1). В качестве прообраза при построении ЭСЭП были использованы сети Петри [2]. При построении ЭСЭП считается, что рассматриваемый объект на микроуровне состоит из равномерной сетки ячеек, в которых, в свою очередь, располагаются молекулы или атомы [3]. В результате проведенного анализа современных физических представлений о механизмах протекания процессов на атомно-молекулярном уровне был сформирован базис из наиболее часто используемых структурных элементов для построения ЭСЭП (табл. 2). С помощью разработанного базиса возможна формализация механизмов широкого класса промышленных технологий. Каждая из получаемых ЭСЭП представляет самостоятельный интерес и требует проведения отдельного исследования. В рамках проведенной классификации, основанной на типе поведения межфазной границы, были выделены характерные классы ЭСЭП, присутствующие в ряде промышленных технологий: – системы с равнодоступной поверхностью; – системы с динамической поверхностью; – однофазные системы (без границы раздела фаз). Схемы ЭСЭП для типичных представителей первых двух классов приведены на рис. 1. а б Рис. 1. ЭСЭП с равнодоступной (а) и динамической (б) поверхностью Таблица 1 Условные графические обозначения, принятые при описании ЭСЭП Условное обозначение Описание Цветовые поля обозначают принадлежность состояний к текущей или соседней ячейкам. Для сложных процессов, в которых участвуют более двух частиц, в схеме может быть представлено несколько соседних ячеек. Текущие состояния ячеек. Буква обозначает тип частицы, находящейся в ячейке и соответствующей данному состоянию. Физико-химический процесс. Буквенные обозначения строятся по схеме: первая буква – процесс, вторая (необязательная) буква – механизм, буквы после дефиса – участвующие частицы. Нулевой процесс, при котором ячейка не изменяет своего состояния. Стрелки, входящие в процесс, показывают условия (состояния ячеек), при которых возможна его реализация. Стрелки, выходящие из процесса, показывают конечные состояния ячеек в случае его реализации. Пунктирные стрелки показывают влияние состояний соседних ячеек на параметры процесса в текущей ячейке. Приведенные на рис. 1 ЭСЭП отражают адсорбционно-десорбционное взаимодействие поверхности с многокомпонентной газовой фазой. Таблица 2 Базовые элементы ЭСЭП, соответствующие модулям элементарных физико-химических процессов Элемент схемы Описание Недиссоциативная адсорбция Свободная поверхностная ячейка переходит из пустого состояния Z в содержащее частицу состояние A Диссоциативная адсорбция Две свободные поверхностные ячейки переходят из пустых состояний Z в содержащие частицы состояния A Десорбция Поверхностная ячейка переходит из состояния с частицей A в свободное состояние Z Вакансионная диффузия Состояние с частицей A переходит в одну из соседних свободных ячеек с состоянием Z Обменная диффузия Две соседних ячейки обмениваются состояниями A и B Химическая реакция соединения Две соседние ячейки с частицами-реагентами A и B переходят в состояние с частицей-продуктом C Химическая реакция разложения Две соседние ячейки с исходной частицей C переходят в состояния частиц-продуктов A и B Пример более сложного варианта ЭСЭП, который может представлять интерес при анализе работы реакционного оборудования химической и нефтегазовой промышленности, приведен на рис. 2. Он отражает химический процесс, протекающий на поверхности катализатора, который, в свою очередь, может отравляться молекулами каталитического яда, адсорбирующимися из газовой фазы. Особый интерес предложенные ЭСЭП представляют при разработке различных программных продуктов, предназначенных для моделирования технологических процессов различной отраслевой направленности. С помощью указанных эквивалентных схем пользователь продукта может визуально конструировать физико-химические механизмы протекания промышленных технологий, учитывающие компонентный состав, совокупность протекающих в них физико-химических процессов и взаимовлияний между ними. Рис. 2. ЭСЭП гетерогенной каталитической реакции A  B, осложненной процессами дезактивации поверхности катализатора (С – частица катализатора, D – молекула каталитического яда)