Программный комплекс "Тепловой взрыв" (стр. 7 )

Программа RCPro решает следующие задачи:

конвертирование исходных данных из формата ASCII в формат TSS; редактирование термических и концентрационных данных аналогично программам TDPro и ADAExpert: удаление фрагментов кривых или отдельных точек на кривых; сглаживание; коррекция выбросов (экспоненциальный или полиномиальный фильтры); линейные преобразования данных; реконструкция базовой линии; деконволюция данных; коррекция манометрического отклика: исключение давления инертного газа; определение параметров уравнения Антуана и исключение составляющей давления насыщенных паров; расчет газовыделения.

Импортированные данные и результаты обработки хранятся в базе данных RCPro. Физической единицей хранения является том данных – файл. Доступны все стандартные файловые операции системы Windows: копирование, перемещение, переименование, удаление и т. д.

1.3.4. IsoKin

Программа IsoKin служит для решения следующих задач:

построения изоконверсионной (безмодельной) кинетической модели химической реакции по экспериментальным данным; моделирования химической реакции, представленной изоконверсионной моделью, в реакторе периодического действия с идеальным перемешиванием; определения зависимости адиабатического времени достижения максимальной скорости (показатель TMR) от начальной температуры; определения зависимости времени достижения заданной конверсии (показатель TCL) от температуры.

Для построения изоконверсионного описания кинетики необходимы следующие экспериментальные данные, полученные в условиях неадиабатического реактора идеального смешения периодического действия:

таблично заданные значения изменения во времени скорости тепловыделения (или скорости изменения массы); таблично заданные значения изменения во времени интегрального тепловыделения (или интегрального изменения массы); таблично заданные значения изменения во времени температуры реакционной массы.

Исходные экспериментальные данные импортируются из базы данных TDPro.

Исходные данные, необходимые для решения задачи моделирования:

изоконверсионная кинетическая модель (эффективные значения предэкспоненты и энергии активации в зависимости от суммарной конверсии в табличной форме); коэффициент теплопередачи реактора и температура окружающей среды (граничные условия); начальная температура реагента (начальные условия); объем реактора, свободный объем, масса реагента.

При проведении кинетического анализа из заданного массива экспериментальных данных осуществляется выборка массива значений температур и скоростей изменения суммарных конверсий для ряда фиксированных значений суммарных конверсий (метод сечений) и для каждого сечения методом линеаризации находится оценка эффективных значений предэкспоненты и энергии активации в зависимости от суммарной конверсии.

При моделировании в заданном временном интервале выполняется численное интегрирование математической модели реактора, представленной системой уравнений кинетики и теплового баланса. По выбору пользователя решение выполняется одним из двух методов численного интегрирования – методом LSODA или неявным методом Рунге-Кутта.

1.3.5. ForK

Программа ForK решает следующие основные задачи:

создание формально – кинетического описания реакции на основе заданной кинетической гипотезы и экспериментальных данных; моделирование процесса в заданных условиях реактора идеального перемешивания периодического действия; расчет TMR - адиабатического времени достижения максимальной скорости; расчет TCL - времени достижения заданной конверсии при заданной температуре.

FORK автоматически формирует структуру кинетической модели химической реакции по задаваемой пользователем ее стадийности и выбора вида кинетической функции каждой стадии из заданного множества псевдоодностадийных кинетических моделей.

При выполнении кинетического анализа может использоваться любая комбинация неадиабатических и адиабатических интегральных и дифференциальных данных. Неадиабатические данные импортируются из базы данных TDPro и включают таблично заданные значения изменения скорости тепловыделения и/или скорости изменения массы, таблично заданные значения изменения тепловыделения и изменения массы, изменение температуры образца. Адиабатические данные импортируются из базы данных ADPro и включают:

таблично заданные значения изменения температуры, тепловыделения и газовыделения, и таблично заданные значения скоростей изменения указанных величин; оценки параметров уравнения Антуана для суммарного давления паров летучих компонентов смеси; значение коэффициента тепловой инерции.

При моделировании в программе ForK всегда используется модель реактора идеального перемешивания периодического действия. Задаются граничные условия – коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды, начальные условия – начальная температура реагента (начальные конверсии всегда принимаются нулевыми), объем аппарата, свободный объем, масса реагента.

При проведении кинетического анализа для заданной структуры модели методом нелинейной оптимизации отыскивается такой набор параметров модели, который обеспечивает минимальное значение взвешенной суммы квадратов отклонений между расчетными и экспериментальными откликами. Для выполнения нелинейной оптимизации в программу включены 2 метода численной оптимизации – модифицированный метод Ньютона-Гаусса и Тензор-метод. При оценивании параметров многократно выполняется численное интегрирование модели; для этих целей в программу включены 2 метода интегрирования – LSODA и неявный метод Рунге-Кутта.

1.3.6. DeskPro

Программа DeskPro в целом по своему назначению и функционированию полностью аналогична FORK. Разница между ними заключается в следующем:

DeskPro может использовать при кинетическом анализе экспериментальные данные, полученные не только в условиях реактора идеального смешения периодического действия, но и в реакторе непрерывного и полунепрерывного действия; DeskPro использует дескриптивные кинетические модели; DeskPro учитывает зависимость физико – химических свойств реакционной массы от изменения ее состава и температуры. Для этого используется внутренняя база данных по физико – химическим свойствам реагентов, пополняемая пользователем и обеспечивающая расчет свойств многокомпонентных смесей по аддитивному методу. Для уточненного расчета свойств смесей используется программа MIXTURE из комплекса TSS.

1.3.7. Пакет программ ThermEx

Пакет программ ThermEx предназначен для моделирования теплового взрыва в химических реакторах периодического действия при внутреннем кондуктивном теплопереносе и кинетическом описании химических реакций формально – кинетическими моделями.

Решаемые задачи:

моделирование протекания реакции в контейнере заданных размеров при заданных условиях (общий режим моделирования); оценка критической температуры теплового взрыва для контейнера заданных размеров; определение температуры самоускоряющегося разложения (SADT) для упаковки продукта заданных размеров.

Пакет ThermEx состоит из 2 модулей – TE-Standard и TE-Pro. Каждый из модулей работает с объектами определенной геометрии.

Модуль TE-Standard моделирует объекты следующей геометрии:

бесконечный цилиндр, сфера, бесконечная пластина, в том числе, полые, при наличии оболочки и перегородок; цилиндр конечной длины, возможно наличие оболочки и коаксиальных перегородок; объекты, указанные выше при наличии плоских, сфероидальных, эллипсоидальных и конических крышек; прямоугольный ящик; штабель из ящиков.

Модуль TE-Pro позволяет моделировать объекты, форма которых создается пользователем из элементов:

бесконечных брусков прямоугольного сечения; каждый брусок может иметь уникальные свойства; осесимметричных цилиндрических элементов, возможно их перекрытие и взаимопроникновение, каждый элемент может иметь уникальные свойства.

Возможно задание разных кинетических моделей для разных активных зон объекта.

Входные данные при решении задачи моделирования:

кинетическая модель, импортируется из базы данных ForK; модель реактора, всегда используется модель реактора периодического действия с распределенными параметрами, представленная системой дифференциальных уравнений теплопроводности в частных производных с источником тепла, описываемым формально-кинетической моделью; граничные условия; могут задаваться условия первого рода (задана температура на стенке), второго рода (задан тепловой поток на стенке) или третьего рода (заданы коэффициент теплопередачи и температура окружающей среды; можно задавать уникальные граничные условия на каждой поверхности контейнера; начальные условия – начальная температура вещества, начальные температуры конструкционных элементов; начальные конверсии всегда задаются нулевыми; форма, размеры контейнера и конструкционных элементов (перегородок), свободный объем, масса реагента; физические свойства реагирующего вещества; физические свойства конструкционных материалов (оболочка, перегородки внутри объекта).

Результаты решения:

профили температур и конверсий по сечениям объекта в различные моменты времени в графической и табличной форме; значения максимальной температуры и максимальной конверсии в объекте в графической и табличной форме; изменение давления внутри оболочки во времени и в отдельных отделенных друг от друга герметичных элементах объекта; оценка критической температуры теплового взрыва; оценка параметра SADT (ТСУР).

При моделировании теплового взрыва выполняется численное интегрирование системы дифференциальных уравнений в частных производных, представляющих модель процесса. Используются алгоритмы, учитывающие особенности задачи, а именно:

переход от медленного развития процесса в течение индукционного периода к быстрому изменению во времени переменных состояния при развитии теплового взрыва; возникновение в объекте моделирования зон с большими градиентами температуры и конверсий.

При определении критической температуры выполняется серия расчетов при различных температурах окружающей среды и находится минимальная температура, при которой тепловой взрыв еще не развивается.