МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА КРИСТАЛЛИЗАЦИИ С ЭЛЕМЕНТАМИ АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ ОСНОВНОГО ПРОЦЕССА

Применение нами стохастического системного подхода к анализу химико-технологического процесса и оборудования, в целом как физической системы, позволяет определить все внутренние связи между элементарными процессами, выявить определенные закономерности их протекания или же доказать полное отрицание их детерминированности. Этот метод позволяет дать математическое описание надежной работы процесса и оборудования. Получающаяся система уравнений включает обычно нелинейные интегро-дифференциальные и дифференциальные уравнения в частных производных.
Решение полученной системы требует задания начальных и граничных условий, а это возможно лишь при изучении элементарных актов процесса. Наличие математической модели с элементами теории надежности в общем случае позволяет с достаточной достоверностью перенести результаты лабораторных исследований вплоть до промышленных условий. Все вышеизложенное дает возможность своевременно получить исходный материал для расчетов с учетом внутренних связей и определить главные условия в технической реализации процесса.
За основу построения модели нами было взято уравнение скорости выхода годной продукции (производительности). В общем виде эта зависимость описывается следующим уравнением:
(1)
где J - скорость зародышеобразования;
- скорость роста кристаллов;
λагл - скорость роста кристаллов за счет агломерации;
λдробл - скорость дробления кристаллов.
В понятие надежности процесса кристаллизации и работы кристаллизационного оборудования кроме стабильной производительности необходимо включить также и такие показатели: 1. определенное процентное содержание требуемого грансостава кристаллического продукта, 2. определенная чистота продукта, иначе минимальный процент примесей, 3. оптимальные (и даже min) расходы электроэнергии, тепла, холода, растворителя и т.д.
Скорость зародышеобразования - величина весьма сложная и зависящая более чем от десятка факторов. На нее оказывают влияние физико-химические свойства вещества и растворителя, параметры процесса, режим работы установки и ее конструктивные особенности.
Скорость зародышеобразования можно описать двумя зависимостями аналитической (2) и функциональной (3)
J = K (C-C0)m (2)
где К, m - постоянные. зависящие от физико-химических свойств растворенного вещества и растворителя, например, таких как произведение валентностей ионов вещества, число молекул кристаллогидратной воды, тип кристаллической решетки и т.д.;
С0 - абсолютная растворимость вещества, или концентрация пересыщенного раствора для данных условий;
С - действительная концентрация вещества в пересыщенном растворе.
(3)
где Пс = С - Со = f (C, Со) - величина пересыщения,
Пt = (tнас - tд) = f (tнас ,tд) -величина переохлаждения,
tнас - температура насыщения раствора;
tд - действительная температура при данном пересыщении (температура раствора);
Пc (φ) = f (tр, Со, Пвал., Мквg ,КР) - устойчивость пересыщения;
tp - температурный коэффициент растворимости;
Пвал - произведение валентностей ионов составляющих соль;
Мквg - число молекул кристаллогидратной воды;
КР - тип кристаллической решетки;
t0C = tд - температура раствора;
Θпр - количество и физико-химические свойства примесей, снижающих качество продукта, а, следовательно, влияющих на надежность процесса;
Vпер - скорость перемешивания.
Скорость роста кристаллов является функцией устойчивости пересыщения, скорости перемешивания раствора и его температуры, скорости инкрустации, если она имеет место, а также количества и свойств примесей.
Скорость роста кристаллов описывается в общем виде следующей зависимостью:
(4)
От величины устойчивости пересыщения будет зависеть форма образующихся кристаллов Фк, которая является одним из показателей качества получаемого продукта.
Скорость перемешивания Vпер раствора как один из параметров процесса кристаллизации, влияет на скорость диффузии вещества из раствора к граням кристалла Д, а это, в свою очередь, влияет как на скорость роста, так и на форму кристаллов.
Л.А. Разумовский использует в своей работе [2] для описания кинетики роста среднего кристалла следующее уравнение:
(5)
где А - коэффициент времени, определяемый режимом работы кристаллизатора. Следовательно, можно считать, что коэффициент А в определенной мере хаpaктеризует надежность процесса кристаллизации.
Взаимосвязь определяет основное условие надежности процесса по показателю «размер кристалла».
Согласно выводам Л.А. Разумовского [2] уравнение 5 в координатах дает прямую линию, k = 3 и не зависит от режима работы кристаллизатора. Итак, один из показателей надежности процесса кристаллизации и работы кристаллизационного оборудования можно всегда поддерживать на должном уровне, зная время роста кристаллов до требующегося размера.
В непосредственной близости от стенки аппарата (кристаллизатора, кристаллорастителя, трубопроводов) основной процесс идет несколько иначе (медленнее), а это позволяет побочным процессам развиваться быстрее. Этим и обусловливается процесс инкрустации, который снижает надежность основного процесса кристаллизации, т.е. замедляет скорость роста кристаллов, изменяет их форму, увеличивает наличие примесей в готовом продукте (товарных кристаллах), вследствие перехода полезной части раствора в инкрустационный слой и т.п.
Уравнение, описывающее процесс инкрустации, запишется в виде функциональной зависимости:
Fинкр = f (Пt ,Vпер ,Qпр ,Ст.ф ) (6)
где Ст.ф - комплекс величин, которые определяют пристеночный эффект.
Ст.ф = φ (Δt, x, ξ) (7)
Величина Ст.ф должна непосредственно отражать теплопроводность через слой l (пристеночаая зона), в котором проходит инкрустация.
Δt - градиент температур в пристеночной зоне;
х - координата фронта охлаждения;
ξ - положение границы раздела фаз;
δ - толщина стенки;
tд > tвоздуха; t0С = tж = t2; tст = tт = t1
Класс задач, связанный с фазовыми превращениями с выделением тепла или его поглощением (это хаpaктерно для процесса ивкрустации), относится к типу задач Стефана. Такая задача формулируется как задача о сопряженности температурных полей двух фаз (1 - твердой, 2 - жидкой) при наличии особого граничного условия на движущейся границе раздела фаз (уравнения 12, 13). Решение приведенной задачи (8 - 13) в данной математической постановке предложено В.Т. Меламедом [1], который учитывал теплоту фазовых превращений в виде непрерывно распределенных на фронте кристаллизации источников тепла. Это особый метод решения, т.к. условие на границе фаз (8, 9) относит задачу Стефана к классу нелинейных и решить её обычный путем не представляется возможным. Уравнение теплопроводности:
Дополнительные условия:
где а1, а2 - температуропроводность соответственно твердого и жидкого слоев;
λ- теплопроводность;
Q - количество теплоты кристаллизации в 1 м3;
т - время кристаллизации.
В функциональной зависимости (1) одним из аргументов роста кристаллов является λагл, т.е. параллельно основному процессу - росту кристаллов, увеличение их размеров может происходить еще за счет агломерации кристаллов.
Агрегированию могут подвергаться как зародыши, так и кристаллы любых размеров, разница лишь в том, что скорость агрегирования будет зависеть, в частности, от размеров контактируемых элементов.
В общем виде скорость процесса агломерации можно выразить следующим уравнением:
(14)
где Ипер - интенсивность перемешивания;
т - время кристаллизации (среднее время пребывания кристалла в слое);
Vt - скорость охлаждения раствора;
dо, V - размер (средний диаметр, объем) соответственно зародыша и кристалла;
σ - поверхностные силы натяжения;
Скр - концентрация кристаллов в слое.
На скорость роста кристаллов будет оказывать нежелательное воздействие дробление кристаллов, которое будет зависеть в общем виде от следующих величин:
λдробл = f (Vпер , Vt , V, Скр ,T) (15)
Рассматривать дробление по отношению к качеству продукта, как процесс уравновешивающий агломерацию, нельзя, вследствие того, что образующиеся осколки, как и образующиеся агломераты, снижают качество готового продукта, увеличивая неоднородность размеров.
Итак, анализируя уравнение скорости выхода годной продукции (1) можно установить следующее:
- Не все величины, входящие в это уравнение, оказывают положительное воздействие на процесс кристаллоращения и степень их влияния не одинакова.
- Такие факторы, как наличие примесей Qпр, протекание процессов дробления λдр и инкрустации Fинкр оказывают полное отрицательное воздействие на основной процесс, то есть снижают его надежность пропорционально величинам Qпр, λдр, Fинкр.
- Такие параметры, как Мквд, t°С, Vпер, т, Скр и процесс агломерации Хагл, могут оказывать нежелательное воздействие на основной процесс, если не поддерживать их на оптимальном уровне.
Литература.
- Меламед В.Т. Сведение задачи Стефана к системе обыкновенных дифференциальных уравнений. Известия АН СССР. Серия геофизика, 1958. № 7.
- Разумовский Л.А. Исследование кинетики процесса кристаллизации солей из растворов во взвешенном слое. 1967. Кандидатская диссертация. г. Иваново. ИХТИ.
Статья в формате PDF
241 KB...
11 06 2026 12:36:23
Статья в формате PDF
243 KB...
10 06 2026 3:41:20
Статья в формате PDF
140 KB...
09 06 2026 22:22:25
В работе представлены результаты по гидрированию аллилового спирта на 1 % Pd/Nd2O3 катализаторе. Найдено увеличение скорости гидрирования в 3,3 раза на 1 %Pd/Nd2O3 катализаторе по сравнению с 1 %Pd/Al2O3.. Показана возможность «мягкого» жидкофазного гидрирования двойной связи в аллиловом спирте, не осложненное конкурирующим гидрированием гидроксильной группы. Побочной реакцией является образование пропаналя.
...
08 06 2026 10:58:42
Статья в формате PDF
103 KB...
07 06 2026 15:20:16
Статья в формате PDF
129 KB...
06 06 2026 4:18:20
Статья в формате PDF
323 KB...
04 06 2026 18:33:18
Цель. Изучить показатели пероксидного статуса и вариабельность сердечного ритма у больных ишемической болезнью сердца с пароксизмальной формой фибрилляции предсердий. Материалы и методы. В исследование было включено 22 больных ишемической болезнью сердца с пароксизмальной формой фибрилляции предсердий. Контрольную группу составили 15 относительно здоровых человек. Нейровегетативный статус изучали методом кардиоинтервалометрии. Активность перекисного окисления липидов у пациентов оценивали по уровню фоновой концентрации малонового диальдегида в эритроцитах крови. Концентрацию малонового диальдегида определяли при поступлении на фоне фибрилляции предсердий, а также в первые сутки после восстановления синусового ритма параллельно с проведением кардиоинтервалометрии. Результаты. По сравнению с контрольной группой у больных с фибрилляцией предсердий в момент нарушения ритма имеет место повышение концентрации малонового диальдегида и некоторое ее снижение в первые сутки после восстановления. Данные кардиоинтервалометрии указывают на достоверное повышение активности симпатоадреналовой системы, снижение активности парасимпатической системы и повышение активности регуляторных систем организма в целом у больных ишемической болезнью сердца с фибрилляцией предсердий после восстановления синусового ритма. Заключение. Дальнейшее изучение исследуемых показателей и их фармакологическая регуляция позволят улучшить лечение и прогноз у данной категории больных.
...
03 06 2026 4:25:13
Статья в формате PDF
111 KB...
02 06 2026 11:21:29
Статья в формате PDF
273 KB...
31 05 2026 0:58:17
Статья в формате PDF
112 KB...
30 05 2026 4:37:22
Статья в формате PDF
119 KB...
28 05 2026 18:39:45
Статья в формате PDF
117 KB...
27 05 2026 11:49:28
Статья в формате PDF
325 KB...
26 05 2026 10:57:12
Показано, что спецификой подготовки компетентного специалиста-химика является формирование навыков социальной коммуникации. Отмечены основные коммуникативные трудности учащихся. Для их преодоления предложен сценарий семинарского занятия в малой группе на основе «социального посредничества» и разработан химический терминологический словарь. Особенностью словарной статьи является наличие раздела «Применение слова». Учитывая степень формализации химических знаний, выбрано применение по логическим связям.
...
25 05 2026 19:31:50
Статья в формате PDF
142 KB...
24 05 2026 7:16:49
Статья в формате PDF
118 KB...
23 05 2026 15:48:28
Статья в формате PDF
103 KB...
22 05 2026 16:56:13
Статья в формате PDF
120 KB...
21 05 2026 4:14:57
Статья в формате PDF
131 KB...
20 05 2026 18:29:45
Статья в формате PDF 99 KB...
19 05 2026 21:53:56
Вирусом гепатита С инфицировано 3% населения Земли. Заболевание в 50-80% случаев принимает хронический хаpaктер с разной степенью поражения печени, включая цирроз и гепатоцеллюлярную карциному. Могут развиваться и внепеченочные осложнения. Для их возникновения важное значение имеет длительное течение заболевания, стимуляция В-лимфоцитов антигенами вируса, а также его репликация в отдельных тканях (эпителий слизистой оболочки рта, слюнных желез и т.д.).
Ассоциированные осложнения при HCV-инфекции разделены на 3 группы: заболевания, при которых доказана этиологическая роль HCV (смешанная криоглобулинемия); oсложнения, в развитии которых HCV принимает участие в качестве одного из этиологических факторов относятся (узелковый полиартериит, В-клеточная неходжкинская лимфома, иммунная тромбоцитопения, синдром Шегрена, поздняя кожная порфирия, красный плоский лишай и т.д.). и группа состояний, в развитии которых участие вируса предполагается, но требует дополнительных доказательств (гигантоклеточный височный артериит, фиброзирующий альвеолит, полимиозит, миокардит, дерматомиозит и др.).
Появление внепеченочных осложнений затрудняет процесс лечения. Поэтому особенно важным является раннее начало лечения гепатита, еще до развития внепеченочных осложнений.
...
18 05 2026 15:45:50
Статья в формате PDF
139 KB...
17 05 2026 2:21:48
Статья в формате PDF
109 KB...
16 05 2026 3:39:44
Статья в формате PDF
112 KB...
15 05 2026 17:23:45
Статья в формате PDF
223 KB...
14 05 2026 6:24:23
Для оценки современного состояния природного фона и его изменений под действием техногенных факторов выполнены геохимические исследования почв на различных объектах нефтегазового комплекса Якутии. Показано, что при попадании в почву нефть и нефтепродукты сорбируются почвогрунтами и смешиваются с нативным органическим веществом почв, что приводит к изменению природного фона вплоть до формирования аномальных поверхностных геохимических полей техногенного генезиса.
...
13 05 2026 14:39:10
Статья в формате PDF
121 KB...
11 05 2026 21:51:38
10 05 2026 23:48:20
Статья в формате PDF
144 KB...
09 05 2026 3:15:25
Статья в формате PDF
163 KB...
08 05 2026 20:35:15
Колючки ежа на самом деле являются измененными волосами...
07 05 2026 14:38:33
06 05 2026 7:37:48
Статья в формате PDF
102 KB...
05 05 2026 12:16:34
Статья в формате PDF
106 KB...
04 05 2026 3:23:38
Еще:
Поддержать себя -1 :: Поддержать себя -2 :: Поддержать себя -3 :: Поддержать себя -4 :: Поддержать себя -5 :: Поддержать себя -6 :: Поддержать себя -7 :: Поддержать себя -8 :: Поддержать себя -9 :: Поддержать себя -10 :: Поддержать себя -11 :: Поддержать себя -12 :: Поддержать себя -13 :: Поддержать себя -14 :: Поддержать себя -15 :: Поддержать себя -16 :: Поддержать себя -17 :: Поддержать себя -18 :: Поддержать себя -19 :: Поддержать себя -20 :: Поддержать себя -21 :: Поддержать себя -22 :: Поддержать себя -23 :: Поддержать себя -24 :: Поддержать себя -25 :: Поддержать себя -26 :: Поддержать себя -27 :: Поддержать себя -28 :: Поддержать себя -29 :: Поддержать себя -30 :: Поддержать себя -31 :: Поддержать себя -32 :: Поддержать себя -33 :: Поддержать себя -34 :: Поддержать себя -35 :: Поддержать себя -36 :: Поддержать себя -37 :: Поддержать себя -38 ::