3.5. Диффузионные модели
Согласно теории массообмена диффузия бывает молекулярная и конвективная. Молекулярная — процесс проходит на микроуровне, конвективная — перенос вещества осуществляется его частицами, то есть процесс проходит на макроуровне.
·
Однопараметрическая
диффузионная модель. Перемешивание частиц в продольном направлении
характеризуется коэффициентом
,
·
Двухпараметрическая
диффузионная модель. Данный поток характеризуется коэффициентом продольного
перемешивания
и коэффициентом радиального перемешивания
.
3.5.1. Однопараметрическая диффузионная модель (ОДМ)
Допущение: за структуру потока принимаем следующее:
Технологическая
среда перемешивается в канале со средней линейной скоростью
, при этом
происходит перемешивание частиц в продольном направлении за счет обратного
потока при равномерном распределении концентрации вещества в сечениях
перпендикулярных направлению движения потока.

Рис. 23
,
,
, ![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
;
![]()
![]()


Разделим выражение 3.5.6 на
:


Продифференцируем по времени обе части выражения 3.5.7:


— коэффициент продольного перемещения.

Коэффициент
определяется расчетным
экспериментальным путем. При экспериментальном определении используется
критерий Пекле:

Трудность решения уравнения 3.5.9 связана с нахождением граничных
условий и нахождением
.

Рис. 24
![]()
![]()
![]()
Для нестационарного режима ячейки: ![]()
При
предельных значениях
, накопление вещества не происходит:
![]()



Получим
второе граничное условие при
:

Рис. 24
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()
![]()

![]()


Преобразуем по Лапласу по времени 3.5.20:

Решением 3.5.21 является:
![]()
где


![]()
![]()
Преобразуем по Лапласу по времени граничные условия 3.5.15 и 3.5.18:


Продифференцируем выражение 3.5.24 по z:
![]()
![]()
![]()
![]()
В выражение 3.5.25 подставляем 3.5.28 и 3.5.29:





![]()
3.5.26 подставим в 3.5.30:
![]()
![]()
![]()
Имеем систему из двух
уравнений 3.5.32 и 3.5.34 с двумя неизвестными
и
. Решение данной системы имеет следующий
вид:


Представляем величины
и
в 3.5.34:





![]()
Не решая 3.5.40 приведем
графики расчетных
и
кривых.

Рис. 25

Рис. 26
При
моделировании неизвестной структурой потока, если экспериментальные
и
кривые совпадают с расчетными, то
неизвестную модель можно описать ОДМ. Данная модель лучше описывает динамику
аппаратов работающих по принципу вытеснения. Данная модель хорошо описывает
гидродинамику колонных аппаратов.
3.5.2. Двухпараметрическая диффузионная модель
За структуру принимается следующее:
Некоторая
технологическая среда перемещается в продольном радиальном канале длиной
и радиусом
со скоростью
, при этом
происходит перемешивание частиц среды, как в продольном, так и в радиальном
направлении.
Уравнение двухпараметрической диффузионной модели (ДДМ):


Данная модель сложна и применяется только в научных исследований.
3.6. Ячеечная модель
При выводе уравнения данной модели принимаются допущения:
1) Реальный поток
состоит из
последовательно соединенных ячеек;
2) В каждой ячейке осуществляется режим идеального перемешивания;
3) Перемешивание между ячейками отсутствует;
4) скорость всех частиц одинакова;

Рис. 27

![]()
Для каждой -той ячейки можно записать:



Рис. 28

Если объемы не равны, то

Для колонного аппарата:
![]()


Обозначим ![]()

Решим систему
3.6.2. при импульсном входном воздействии, то есть при ![]()


3.6.9 берется из таблицы преобразований Лапласа.
Пусть
,
;



Правые части 3.6.8. и 3.6.11 равны, поэтому равны и левые части этих выражений.


Проведя интегрирование, получим частям выражения 3.6.13 получим:




Выражение 3.6.12 и 3.6.14 является
и
кривыми. Для
колонного аппарата:



Рис. 29

где
— число ячеек.
В химической технологии широко применяются аппараты секционирования по высоте сетчатыми перегородками. Для математического описания таких аппаратов ячеечная модель малопригодна и применяется ячеечная модель с обратным потоком [3].
4. Математическое описание тепловых процессов
Тепловые процессы протекают в теплообменных аппаратах. При выводе математических моделей этих аппаратов принимаются следующие допущения:
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.