Физическое моделирование

Понятие о химико-технологическом процессе

Химико-технологический процесс (ХТП) - это процесс получения целевого продукта, начиная с этапа подготовки сырья и заканчивая выделением целевого продукта.

ХТП складывается из трех стадий:

1) подвод реагентов в зону реакции при помощи абсорбции, адсорбции, конденсации паров, плавлением, растворением и др. (осуществляется, как правило, с использованием физических процессов (механических, гидромеханических, тепловых, массообменных));

2) химические реакции - основа процесса (в ходе этого происходит глубокое изменение структуры, состава и свойств веществ, участвующих в нем);

3) отвод продуктов из зоны реакции за счет диффузии или перевода вещества из одной фазы в другую. Стадия выделения целевого продукта для большинства химических производств является необходимой.

Моделирование. Модель. Цели и принципы моделирования

Проблема масштабного перехода от лабораторного эксперимента к промышленному производству при проектировании последнего решается методом моделирования.

 Моделирование – метод исследования сложных объектов и систем, основанный на том, что рассматриваемый объект (оригинал) заменяется моделью, с которой проводят ряд  экспериментов с целью получения информации об оригинале.

Под моделью понимают такой материальный или мысленно представляемый объект, который в процессе познания (изучения) замещает объект-оригинал, сохраняя некоторые важные для данного исследования типичные его черты.

Основные цели моделирования:

• описание объекта;

• объяснение объекта;

• прогнозирование поведения и свойств объекта.

Моделирование базируется на нескольких основополагающих принципах:

• Принцип информационной достаточности – при полном отсутствии информации об объекте построение его модели невозможно. Существует некоторый уровень априорной информации об объекте, только при достижении которого может быть построена адекватная модель. При наличии полной информации об объекте построение его модели не имеет смысла.

• Принцип осуществимости – создаваемая модель должна обеспечивать достижение поставленной цели исследования с вероятностью, существенно отличающейся от нуля.

• Принцип множественности моделей – создаваемая модель должна отражать в первую очередь те свойства реального объекта (системы), которые интересуют исследователя. Для полного исследования объекта необходимо достаточно большое количество моделей, отражающих исследуемый объект с разных сторон и с разной степенью детализации.

Аксиомы теории моделирования

Аксиома 1. Модель не существует сама по себе, а выступает в тандеме с некоторым материальным объектом, который она представляет (замещает) в процессе его изучения или проектирования.

Аксиома 2. Для естественных материальных объектов модель вторична, т. е. появляется как следствие изучения и описания этого объекта (например, модель солнечной системы). Для искусственных материальных объектов (создаваемых человеком или техникой) модель первична, так как предшествует появлению самого объекта (например, модель самолета, модель двигателя).

Аксиома 3. Модель всегда проще объекта. Она отражает только некоторые его свойства, а не представляет объект «во всем великолепии». Для одного объекта строится целый ряд моделей, отражающих его поведение или свойства с разных сторон или с разной степенью детальности. При бесконечном повышении качества модели она приближается к самому объекту.

Аксиома 4. Модель должна быть подобна тому объекту, который она замещает, т. е. модель в определенном смысле является копией, аналогом объекта. Если в исследуемых ситуациях модель ведет себя так же, как и моделируемый объект, или это расхождение невелико и устраивает исследователя, то говорят, что модель адекватна оригиналу. Адекватность – это воспроизведение моделью с необходимой полнотой и точностью всех свойств объекта, существенных для целей данного исследования.

Аксиома 5. Построение модели не самоцель. Она строится для того, чтобы можно было экспериментировать не с самим объектом, а с более удобным для этих целей его представителем, называемым моделью.

Физическое моделирование

Принято различать три вида моделирования:

• физическое;

• математическое;

• имитационное.

Физическое моделирование – это метод исследования на модели, которая имеет одинаковую с оригиналом физическую природу и воспроизводит весь комплекс свойств изучаемых явлений.

В технике физическое моделирование используется при проектировании различных объектов для определения характеристик как объекта в целом, так и отдельных его частей. В основе этого вида моделирования лежит принцип ПОДОБИЯ.

Главные достоинства физического моделирования:

• возможность получения обширного опытного материала, создания предпосылок для построения теоретических гипотез;

• наглядность: физическое моделирование обеспечивает регистрацию наблюдений без преобразования, что приводит к уменьшению общей погрешности моделирования;

• возможность воспроизведения сложных физических процессов.

В качестве условий, ограничивающих области применения этого вида моделирования, необходимо отметить следующее:

• физическое моделирование основано на масштабировании исследуемого объекта, т.е. при увеличении геометрических размеров объекта исследования необходимо увеличивать и размеры физической модели, что увеличивает как временные, так и финансовые затраты на моделирование;

• этот вид моделирования применяется для исследования только детерминированных объектов (процессов), описываемых законами классической механики и протекающих в однофазных системах с фиксированными границами.