Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Математическое моделирование кинетики сложных химических реакций. Ч. 1

.pdf
Скачиваний:
4
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
1.44 Mб
Скачать

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пермский государственный технический университет»

А.М. Федосеев, В.Н. Кетиков

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ КИНЕТИКИ СЛОЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ

Часть I

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского государственного технического университета

2011

УДК 517.9: 519.6: 541.124 Ф32

Рецензенты:

канд. физ.-мат. наук В.А. Соколов (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук А.Г. Шумихин (Пермский государственный технический университет);

д-р техн. наук В.М. Зиновьев (Научно-исследовательский институт полимерных материалов)

Федосеев, А.М.

Ф32 Математическое моделирование кинетики сложных химических реакций: учеб. пособие. Ч. I / А.М. Федосеев, В.Н. Кетиков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2010. – 223 с.

ISBN 978-5-398-00568-4

Системно изложены вопросы решения прямой задачи кинетики сложных химических реакций. Проанализирована структура и представлена классификация математических моделей химической кинетики, вытекающие из физико-химической сущности процессов превращения веществ. Рассмотрены аналитические и численные методы решения обыкновенных дифференциальных уравнений, представляющих математические модели кинетики сложных химических реакций, проведены сравнение и анализ возможностей их применения для решения прямой задачи. Приведены примеры решения прикладных задач кинетики, в том числе для реакций сложного типа, описываемых нелинейными дифференциальными уравнениями.

Предназначено для студентов старших курсов и аспирантов, обучающихся на химико-технологических специальностях ПГТУ, и может быть полезно преподавателям и инженерам.

 

УДК 517.9: 519.6: 541.124

ISBN 978-5-398-00568-4

© ГОУ ВПО

 

«Пермский государственный

 

технический университет», 2011

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

 

Предисловие..........................................................................................

6

Введение................................................................................................

11

Глава 1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ХИМИЧЕСКИХ

 

ПРОЦЕССОВ........................................................................................

13

1.1. Вводные замечания........................................................................

13

1.2. Типы и кинетические модели химических реакций..................

16

1.2.1. Простые химические реакции..........................................

19

1.2.2. Сложные химические реакции.........................................

23

1.2.3. Обратимые химические реакции.....................................

25

1.2.4. Классификация типов и уравнений кинетики

 

химических реакций ...................................................................

27

1.3. Физико-химические параметры сложных реакций...................

34

1.4. Общие выводы по главе 1 .............................................................

37

Глава 2. АНАЛИТИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

 

КИНЕТИКИ СЛОЖНЫХ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ...................

39

2.1. Предварительные замечания ........................................................

39

2.2. Системы линейных дифференциальных уравнений.................

39

2.2.1. Основные теоремы для однородных систем

 

дифференциальных уравнений первого порядка.....................

41

2.2.2. Линейные однородные системы дифференциальных

 

уравнений.....................................................................................

44

2.2.3. Определитель Вронского..................................................

45

2.2.4. Линейные неоднородные системы дифференциальных

 

уравнений первого порядка........................................................

47

2.2.5. Линейные системы дифференциальных уравнений

 

с постоянными коэффициентами ..............................................

49

2.2.6. Нахождение частных решений неоднородных систем

 

дифференциальных уравнений..................................................

54

2.2.7. Свойства и методы решений уравнений Риккати..........

58

2.3. Системы нелинейных дифференциальных уравнений

 

первого порядка....................................................................................

63

2.3.1. Вводные замечания...........................................................

63

3

2.3.2. Нелинейные системы дифференциальных уравнений

 

первого порядка и методы их решения.....................................

64

2.3.3. Разрешимость нелинейных систем уравнений

 

кинетики химических реакций...................................................

78

2.4. Общие выводы по главе 2 .............................................................

82

Дополнение к главе 2............................................................................

83

Д. 2.5. Экстремумы функций одной и нескольких

 

переменных. Понятие условного экстремума.........................

83

Д.2.6. Эллиптические интегралы и функции............................

93

Задания к главе 2 ...................................................................................

99

Глава 3. ЧИСЛЕННЫЕ МЕТОДЫ РЕШЕНИЯ

 

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ХИМИЧЕСКОЙ

 

КИНЕТИКИ...........................................................................................

104

3.1. Постановка задачи и классификация численных методов

 

решения обыкновенных дифференциальных уравнений.................

104

3.2. Метод конечных разностей...........................................................

107

3.2.1. Разностная схема. Понятие сходимости .........................

108

3.2.2. Разностная схема Эйлера..................................................

111

3.2.3. Порядок аппроксимации разностной схемы...................

113

3.2.4. Устойчивость разностной схемы.....................................

116

3.2.5. Теорема о сходимости.......................................................

117

3.2.6. Метод Рунге–Кутта...........................................................

118

3.3. Численные методы интегрирования дифференциальных

 

уравнений...............................................................................................

123

3.3.1. Метод Эйлера-Коши .........................................................

123

3.3.2. Метод Эйлера-Коши с итерациями .................................

124

3.3.3. Модифицированный метод Эйлера.................................

124

3.3.4. Метод трапеций.................................................................

125

3.3.5. Метод Рунге–Кутта четвёртого порядка.........................

125

3.3.6. Метод Рунге–Кутта для дифференциального

 

уравнения второго порядка........................................................

126

3.3.7. Метод Рунге–Кутта с автоматическим изменением

 

шага...............................................................................................

126

3.3.8. Метод Рунге–Кутта–Мерсона..........................................

127

3.4. Общие выводы по главе 3 .............................................................

129

4

Глава 4 НЕКОТОРЫЕ ПРИКЛАДНЫЕ ЗАДАЧИ КИНЕТИКИ

 

ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ................................................................

132

4.1. Общие замечания...........................................................................

132

4.2. Последовательная реакция первого порядка..............................

134

4.3. Обратимая реакция второго порядка...........................................

142

4.4. Нахождение аналитических решений для реакций сложного

 

типа.........................................................................................................

146

4.4.1. Исследование некоторых физико-химических

 

параметров реакции сложного типа..........................................

160

4.4.2. Получение экстремальных характеристик сложных

 

химических реакций ...................................................................

168

4.4.3. Исследование устойчивости решений прикладных

 

задач..............................................................................................

180

4.4.4. Некоторые примеры построения эллиптических

 

функций........................................................................................

189

4.5. Примеры решения прикладных задач химической кинетики

 

численными методами..........................................................................

194

Задания к главе 4...................................................................................

200

Общие выводы по учебному пособию................................................

204

Ответы к заданиям................................................................................

207

Библиографический список.................................................................

213

ПРИЛОЖЕНИЯ ....................................................................................

217

5

Посвящается светлой памяти Сухинина Валентина Сергеевича, доцента кафедры ТПМП

ПРЕДИСЛОВИЕ

Развитие и эффективность химического производства определяются рядом факторов, из которых наиболее существенными являются следующие:

– создание новых химических материалов и веществ, обладающих приоритетными свойствами (высокой прочностью, долговечностью, жаро- и влагостойкостью, устойчивостью

кагрессивной среде и т.д.);

широкое внедрение новых материалов и веществ в различные отрасли промышленности, сельское хозяйство, медицину, быт и т.д.;

– как следствие предыдущих двух, разработка новых и совершенствование существующих химических технологий производства веществ, материалов и изделий из них, а также модернизация всего химического производства.

Вышеперечисленные факторы развития химического производства ставят перед учеными и инженерами химикамитехнологами задачи, связанные с эффективным конструированием химических аппаратов и узлов, повышением их долговечности, выбором оптимальных режимов работы химико-техно- логических процессов, получением максимального выхода продуктов, экономичным режимом работы технологических объектов, сокращением расходов на сырье, электроэнергию и т.д.

При этом на первый план научных исследований в химической технологии выходят задачи моделирования химических процессов, протекающих в химических установках. Среди этих задач важное место, в свою очередь, занимают задачи, связанные с математическим моделированием кинетики химических

6

реакций, которая в значительной мере определяет химикотехнологический процесс. Этим задачам и методам их решений и посвящается настоящее учебное пособие.

Учебное пособие состоит из 2 частей. В первой части рассматриваются методы решения прямой задачи. Вторая часть пособия посвящается методам решения обратной задачи.

Основная задача, которая поставлена в первой части, может быть сформулирована следующим образом: используя современные аналитические методы исследований в математике (применительно к математическому моделированию химической кинетики), обоснованно применить их к реальным процессам, протекающим в химических реакциях. И как следствие основной задачи провести сопоставление аналитических результатов и результатов, полученных численными методами. Первая часть пособия является продолжением исследований, начатых ранее, и обобщением новых результатов, изложенных в работах [10–15]. Поэтому в ней сохранен стиль изложения материала, принятый в ранее опубликованной работе [10]. Структурно первая часть состоит из четырех глав.

Первая глава посвящена общим вопросам математического моделирования химических процессов и содержит:

общие методы и принципы построения математических моделей химико-технологических объектов с учетом их структуры и особенностей;

основные понятия химической кинетики (типы, механизмы, молекулярность реакций, их порядок и стадийность, понятие лимитирующей стадии и т.д.);

таблицы классификации типов реакций и уравнений кинетики (простые, сложные, обратимые, параллельные, последовательные и т.д.);

физико-химические параметры сложных реакций (их классификация, способ выбора, характеристики и т.д.).

Вторая глава посвящена аналитическим методам исследования кинетики сложных химических реакций и содержит:

7

математические методы и принципы решения линейных систем дифференциальных уравнений (как однородных, так и неоднородных) и вопросы, связанные с математической разрешимостью систем (нахождение фундаментальных систем решений, построение определителя Вронского и матрицы Коши, использование метода вариации произвольных постоянных, выбор начальных условий для задачи Коши и т.д.);

некоторые специфические методы и принципы решения нелинейных систем дифференциальных уравнений (метод понижения порядка системы дифференциальных уравнений, метод интегрируемых комбинаций и т.д.), а также вопросы, связанные с проблемой разрешимости и устойчивости решений таких систем (теоремы Осгуда и Каратеодори, критерий устойчивости решений по Ляпунову, условие Липшица и т.д.).

Вцелях наибольшей полноты изложения и доступности восприятия материала в главу 2 включены дополнительные теоретические вопросы, а именно: вопросы, связанные с экстремумами функций одной и нескольких переменных (п. Д. 2.5)

ивопросы построения эллиптических интегралов и функций (п. Д. 2.6). При этом из общих эллиптических функций наиболее полно рассмотрены функции Вейерштрасса, используемые в главе 4 при решении прикладных задач кинетики сложных химических реакций и п. 4.4.4.

Третья глава посвящена численным методам интегрирования дифференциальных уравнений и содержит:

математическую постановку прямой задачи химической кинетики, сущность и классификацию численных способов решения дифференциальных уравнений и систем (как линейных, так и нелинейных) методом конечных разностей;

математическое описание и обоснование применения наиболее известных и эффективных методов численного интегрирования.

Необходимость обоснованности применения этих методов в математическом моделировании химической кинетики воз-

8

растает потому, что при описании кинетики нелинейными системами не всегда возможно получение их решений аналитически. Кроме того, при получении аналитических решений различных задач приходится контролировать их достоверность и сопоставимость с реальными процессами, протекающими

вхимических реакциях (установление адекватности выбранной математической модели).

Эти вопросы рассматриваются в п. 4.5 настоящего пособия. Четвертая глава носит расчетно-исследовательский характер, в ней рассмотрены некоторые прикладные задачи кинетики химических реакций. Эту главу условно можно разделить на два взаимосвязанных подраздела. Первый подраздел включает

всебя наиболее типовые прикладные задачи химической кинетики с выбранными конкретными параметрами (экспериментальными, взятыми из различных литературных источников, либо приведенными, выбранными из соображений упрощения расчетов). Второй подраздел носит исследовательский характер: исследование некоторых физико-химических параметров реакции сложного типа; получение экстремальных характеристик сложной химической реакции; исследование устойчивости решений прикладных задач; некоторые примеры построения эллиптических функций (см. п. 4.4.1–4.4.4 настоящего пособия).

Для более полного усвоения материала пособия и отработки навыков выполнения расчетов, а также правильного выбора метода решения той или иной конкретной задачи в пособие включена подборка задач для индивидуального самостоятельного решения (см. гл. 2 и 4). Для контроля полученных решений, при индивидуальной работе читателя, в конце пособия приводятся ответы и указания к решению некоторых задач.

Заключительным этапом проведенных исследований являются общие выводы по учебному пособию, которые позволяют сосредоточить внимание на дальнейших исследованиях.

9

Авторы выражают благодарность и признательность доктору технических наук, профессору А.С. Ермилову, а также доктору технических наук, профессору В.П. Первадчуку за ценные замечания, сделанные в ходе написания данного пособия.

10

Соседние файлы в папке книги