НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебной работе
___________________________
«___»______________ 2005 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по курсу – Методы математического моделирования химических процессов и реакторов.
Для студентов, обучающихся по специальности (направлению) 33.02.00 – “Инженерная защита окружающей среды” (330000 “Безопасность жинзедеят.”)
Факультет летательных аппаратов
Кафедра инженерных проблем экологии
Курс 5 Семестр 9
Лекции 34 час Экзамен -
Практические (семинарские)
Занятия 17 час Зачет 9 семестр
Лабораторные занятия 17 час Самостоятельная
Контрольные работы час работа 85 час
Курсовые работы час
Курсовые проекты час
РГР 7.5 час
Всего часов 160.5
2005 г.
Рабочая программа составлена на основании требований Государственного образовательного стандарта к уровню подготовки бакалавра техники и технологии по направлению 553500 – защита окружающей среды
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры инженерных проблем экологии
протокол № …… от ………….. г.
Программу составил: д. т.н. в. н.с.. ______________ Ермакова Анна.
Заведующий кафедрой д. т.н., проф. _____________
«___» ________2005 г.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ
Цель курса состоит в ознакомлении студентов с избранными главами химической кинетики и прикладной термодинамики, применяемыми при математическом моделировании химических процессов, и реакторов. Основное внимание уделяется углублению знаний студента в области решения инженерных задач с привлечением современных методов прикладной термодинамики макрокинетики.
В задачи курса входит:
Определение понятия макрокинетика, этапы построения макрокинетических моделей. Математические и численные методы идентификации и анализа кинетических моделей с использованием экспериментальных данных.
Изучение понятия “неидеальность реакционной среды”, освоение основных
методов ее учета в инженерных расчетах.
Изучение понятий химического и фазового равновесия, математические и численные методы их расчета
Использование вышеназванных методов при расчете и проектировании химического реактора, тепло-массообменных аппаратов, анализа и оптимизации химико-технологических схем.
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Лекции
Блок 1. Макрокинетика
1. Формализм макрокинетики, основные понятия и определения. Макрокинетические модели. Стехиометрия. Баланс химических элементов. Скорость реакции, плотность источника компонентов.
2. Математические модели макрокинетики. Уравнения скорости. Зависимость скорости реакции от подходящим образом выбранных интенсивных величин (концентраций, парциальных давлений, парциальных фугитивностей и др.) Закон действующих масс. Термодинамическая константа равновесия, способы ее выражения. Понятие о детальном механизме каталитических реакций.
3. Макрокинетический эксперимент, лабораторные установки, их математическое описание. Лабораторные микрореакторы, и их разновидность. Отличительные признаки их математического описания.
4. Статистическая корректировка экспериментальных данных. Выравнивание баланса химических элементов. Численный метод решения задачи.
5. Идентификация кинетических моделей. Статистическая сущность процесса идентификации. Априорный анализ методом Монте-Карло. Параметрическая и структурная идентификация. Классические методы и алгоритмы множественной линейной и нелинейной регрессии.
Блок 2. Прикладная термодинамика.
1. Введение в проблему. Основные понятия и определения. Характеристические уравнения состояния, понятие неидеальности.
2. Уравнения состояния реального флюида. Расчет термодинамических свойств реальных газов (жидкостей).
3. Особенности расчета термодинамических свойств (энергии, энтальпии, энтропии, теплоемкости) с использованием современных, кубических уравнений состояния.
4. Химическое равновесие I. Общий случай. Математическая модель, основанная на минимизации свободной энергии Гиббса, особенности модели и алгоритма, учитывающих неидеальность.
5. Изотермическое и адиабатическое равновесие. Расчет адиабатического равновесного процесса в высокотемпературном химическом реакторе.
6. Химическое равновесие II. Частный случай: детерминированные химические реакции, константа равновесия с учетом неидеальности.
7. Фазовое равновесие. Современные подходы к расчету газо-жидкостного равновесия. Несостоятельность законов Генри и Рауля при повышенных давлениях.
8. Устойчивость равновесия, критерии термической, механической и диффузионной устойчивости. Понятие метастабильного состояния, границы его существования.
9. Расчет теплообменных аппаратов с фазовыми превращениями (испарители, конденсаторы).
10. Совместное химическое и фазовое равновесие. Общая постановка задачи и упрощенные, феноменологические модели. Методы решения. Сдвиг химического равновесия при наличии фазовых превращений в химическом реакторе.
11. Фазовые диаграммы, понятия “бинодаль”, “спинодаль”, математические модели, методы решения. Определение фазовых границ для многокомпонентной смеси.
12. Критическое состояние многокомпонентной смеси. Расчет критических параметров смеси, их зависимость от состава и химической природы смеси. Особенности кинетики реакций, осуществляемых в сверхкритических растворителях. Увеличение скорости реакций, неограниченный рост растворимости трудно растворимых газов в жидкостях, эффект давления/плотности среды.
13. Применение термодинамических методов к расчету двухфазного реактора, на примере реакции жидкофазного гидрирования бензола.
Лабораторные занятия
1. Решение задачи синтеза независимых наборов стехиометрических реакций.
2. Решение задачи на выбор оптимальных маршрутов многомаршрутной реакции
3. Решение задачи на статистическую коррекцию экспериментальных данных.
4. Решение задачи на оптимизацию структуры кинетического уравнения.
5. Расчет термодинамических свойств (энтальпии, энтропии, теплоемкости) многокомпонентной смеси, сравнение указанных свойств с их идеально-газовыми значениями.
6. Расчет равновесного состава, теплового эффекта, температуры адиабатического разогрева при равновесных превращениях многокомпонентной смеси. Расчет сдвига равновесия в зависимости от температуры (давления).
7. Расчет двухфазного равновесия в зависимости от давления и температуры (выход равновесных фаз, фазовые концентрации), анализ отклонений от законов Генри-Рауля.
8. Расчет равновесного адиабатического реактора на примере окисления вредных примесей (H2S, HCN, NH3 и др.) в отходящих газах нефтехимических и коксохимических производств.
Технические средства обучения
Практические занятия проводятся с помощью учебных компьютерных программ. Программы работают в операционной среде Windows-98, Windows NT. Они инсталлированы на персональных компьютерах Учебного центра Института катализа. Каждая программа решает одну из задач по тематике курса.
Программы имеют текстовые окна HELP, в которых просматриваются:
1. Теоретический материал данной тематики, контрольные вопросы.
2. Описание вариантов конкретного задания. Подсказка к выполнению.
Программы имеют цифровой и графический редактор для ввода и редакции студентом своих вариантов числовых данных и графических схем.
Программы позволяют просматривать на экране математические модели данной задачи в виде формул, графические образы аппаратов и технологических схем, просматриваются исходные данные и результаты расчета в виде графиков и таблиц.
Программы позволяют создать протоколы результатов с целью контроля выполнения Студентом задания.
Литература
1. Методы макрокинетики, применяемые при математическом моделировании химических процессов и реакторов. Учебное пособие. Новосибирск, Институт катализа РАН им. . 2001 г. 184 С.
2. Методы прикладной термодинамики, применяемые при математическом моделировании химических процессов и реакторов. Учебное пособие. Новосибирск, Институт катализа РАН им. . 2002 г. 213С.
3. Учебные компьютерные программы к курсу лекций (Методическое руководство). Новосибирск, Институт катализа РАН им. . 2004 г. 93 С.
