научная статья по теме МЕТОДЫ УТОЧНЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СТАЦИОНАРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «МЕТОДЫ УТОЧНЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СТАЦИОНАРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2011, том 45, № 4, с. 391-399

УДК 541.127

МЕТОДЫ УТОЧНЕНИЯ МОДЕЛЕЙ СТАЦИОНАРНОЙ ХИМИЧЕСКОЙ КИНЕТИКИ НА ОСНОВЕ ТЕОРИИ ВОЗМУЩЕНИЙ

© 2011 г. В. Г. Горский, М. З. Зейналов*, Т. Н. Швецова-Шиловская, З. М. Гаджибалаева*, У. Г. Магомедбеков*

Государственный научно-исследовательский институт органической химии и технологии, Москва *Дагестанский государственный университет, г. Махачкала

mzeinalov@mail.ru Поступила в редакцию 28.05.2007 г.; после доработки 02.11.2010 г.

Прослеживается связь между известной теоремой А.Н. Тихонова о дифференциальных уравнениях с малым параметром и математическими моделями стационарной химической кинетики. Излагается новый алгоритм построения кинетических моделей с использованием химических переменных, представляющих собой степени полноты или завершенности стадий, в качестве переменных состояния. Рассматриваются аномальные случаи, которые возникают при формировании подсистемы алгебраических уравнений относительно быстрых переменных, и описываются процедуры уточнения моделей квазиравновесного и квазистационарного приближения на основе теории возмущений.

ВВЕДЕНИЕ

Среди химических реакций часто встречаются такие, которые содержат чрезвычайно быстрые стадии [1]. Ранее нами были предложены принципы и алгоритмы формирования математических моделей кинетики подобных реакций в квазистационарном, квазиравнеовесном и совместно квазистационарном и квазиравновесном приближениях [2—4]. Предложенные алгоритмы применимы для составления математических моделей химической кинетики всевозможных типов сложных химических реакций. Однако в указанных работах не прослеживается связь между известной теоремой А.Н. Тихонова о дифференциальных уравнениях с малым параметром и кинетическими моделями квази-равновесно-го и квазистационарного приближения. Не обсуждается также вопрос о корректности замены кинетических дифференциальных уравнений с малым параметром (полная система) алгебро-дифферен-циальными уравнениями квазиравновесного и квазистационарного приближения (вырожденная система).

В связи с этим целью настоящей работы является разработка нового алгоритма построения кинетических моделей химической кинетики в квазиравновесном и квазистационарном приближениях с использованием в качестве переменных состояния химических переменных, представляющих собой степени полноты или завершенности стадий с учетом аномальных случаев, которые возникают при формировании подсистемы алгебраических уравнений относительно быстрых переменных и описанием процедуры уточнения моделей квазиравновесного приближения на основе теории возмущений.

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ

Рассмотрим Я-стадийную химическую реакцию, в которой участвуют ж реактантов. Молекулярные уравнения такой реакции можно предста-

вимы в виде

+ + +

ЬцА + ьуа2 + ••• + к А ь^-лх + ьул2 + (1)

+ ••• + ЬуА,

где Ь+, Ь- — естественные стехиометрические коэффициенты.

Введем стехиометрическую матрицу В = Ь) = (Ь- - Ь-); i = 1, ..., ж; ] = 1, ..., Я. (2)

Примем, что рассматриваемая химическая система является замкнутой, изохорической с идеальным перемешиванием. Тогда изменения концентраций реактантов могут быть разложены по стадиям с помощью параметрического уравнения состава [5]:

с - с0 = ВХ; х (0) = 0д7, (3)

о

где с и с — соответственно векторы текущих и начальных концентраций реактантов (сИт(с_) =

= йт(с_0) = ж); х — вектор удельных химических переменных, представляющих собой степени полноты или завершенности стадий (йт{ х) = Я).

Кинетические уравнения рассматриваемой реакции можно выразить в двух альтернативных формах. Первая форма записи — полная система диф-

ференциальных уравнений относительно концентраций всех реактантов:

| = Bp(c); c(0) = c0.

(4)

Здесь X — время реакции; р(с) — вектор скоростей стадий, элементы которого представляют собой кинетические функции стадий:

Pj ) = kj

П ^ - K- п ^

К i=1 j i=1

= kj8j,

(5)

где 5 / = 8, =

П - f П

K,

— движущая сила

§ = p (c (x)); x (0) = j. dk ~

(6)

( т т \

(ХБ , xM ).

(7)

(9)

к+, принята за стандарт); I = I = к++1Х — безразмерное время; рБ и рм — безразмерные кинетические функции, соответственно быстрых и медленных стадий:

(

Рб

Si,

k+82

к+S

—б —Б

Рм

кг

к+Б+2Sft= +2

к+

(10)

—Б +1'

—Б +1

k—S —

к—Б +1 .

V I=1 1 I=1

]-ой стадии.

Дифференцируя обе части параметрического уравнения (3) по времени и сопоставляя полученное уравнение с уравнением (4), можно получить систему дифференциальных уравнений относительно химических переменных, выполняющих роль вариантов химической реакции:

Заметим, что уравнение (8) можно записать несколько иначе, если ввести новый аргумент т = t/s. Это так называемое растянутое время или погранс-лойная переменная, воспользовавшись которой уравнение (8) можно записать в виде

dx

-^Г = PБ ( (ХБ, ХМ)) = f (ХБ,ХМ); —Б(0) = 0-Б,1. (11) d т _

Разбиваем стехиометрическую матрицу на подматрицы быстрых и медленных стадий в соответствии с разбиением химических переменных:

Уравнения (6) и (3) в совокупности составляют вторую форму записи уравнений химической кинетики.

Для анализа и последующих преобразований кинетических уравнений приведем их к безразмерному виду. Допустим, что среди Я стадий реакции ЯБ быстрых и ЯМ медленных стадий (без ограничения общности можно принять, что быстрые стадии следуют первыми по порядку). Соответственно разделим на быстрые и медленные и химические переменные:

B = ( Вб |ВМ).

(12)

Будем считать, что значения констант скоростей быстрых стадий различаются между собой несущественно, в пределах одного порядка. Аналогичное соглашение примем и для констант скоростей медленных стадий. В соответствии с указанным разбиением химических переменных систему уравнений (6) также можно разбить на две подсистемы, одновременно переходя от именованного времени к безразмерному:

с1х

е^Г = рб (с(хБ,хМ)) = /(хБ,хМ); Хб (0) = °б,1, (8) (Н - —

с1х

(М = рМ (С(хБ'хМ)) = ё (ХБ'хМ); хМ (0) = одмД; ( 0 < I < т.

В этих уравнениях приняты следующие обозначения: б = кБ+1/ к1+ — малый параметр (е > 0); кБ+1 — константа скорости (ЯБ + 1)-й стадии, которая является медленной (эта константа, как и константа

Вектор ВБ составляет набор стехиометрических векторов быстрых стадий, а ВМ — стехиометриче-ские векторы медленных стадий. Используя введенные выше обозначения и соотношения (10) и (12), полную систему кинетических уравнений (4) можно представить в следующей безразмерной форме:

е( = В б Р Б(С) + еВ мРм; С (0) = С0. (13)

Сопоставляя между собой системы (8), (9) и (13), необходимо указать, что первая система состоит из двух подсистем дифференциальных уравнений. При этом малый параметр е содержится только в первой подсистеме, причем в виде коэффициентов перед производными. Подобная система принадлежит к классу так называемых тихоновских систем обыкновенных дифференциальных уравнений с малым параметром. И потому она вполне пригодна для анализа и преобразований, которые досконально разработаны для систем такого рода. Однако этого нельзя сказать о системе уравнений (13). Она не является тихоновской и прежде чем обсуждать возможности построения приближенного решения системы (13) и использования для этих целей методов теории возмущений, надлежит преобразовать эту систему и привести ее к тихоновскому виду. Следует иметь в виду, что система уравнений (13) имеет специфическую структуру. Если матрица ВБ не содержит ни одной нулевой строчки, то система (13) кажется вообще не пригодной для построения уравнений, отвечающих условию равновесия. В самом деле, если положить малый параметр е равным ну-

лю, то в этом случае мы придем к подсистеме алгебраических уравнений

5б (хБО, ХМО) = 0ДЛ, (14)

а дифференциальных уравнений, которые необходимы для установления связи между текущими концентрациями и временем, вообще не будет. Именно так и было бы, если бы мы имели дело с дифференциальными уравнениями вообще, а не с дифференциальными уравнениями химической кинетики. Последние обладают той специфической особенностью, что элементы вектора текущих концентраций связаны между собой. Если принять во внимание эти связи, прежде чем осуществлять предельный переход (е = 0), то можно избежать описанных выше неприятностей. Эти вопросы нами решены ранее и представлены в работе [2]. Рассмотрим вопрос о применимости теоремы Тихонова по отношению к системе уравнений (8), (9). При малых е вполне естественно заменить систему (8), (9) на более простую, которая получается из нее при е = 0. Упрощенная таким образом система будет иметь вид

РБ {й (хБ0,хМ0 )) = /(хБ0,хМ0 ) = 0

= РМ {((ХБ0>XМ0) = 8(Хб0,XМ0); (15)

dt

XМ0 (0) = 0дмД; 0 < t < T.

ния быстрых химических переменных из правой части второго уравнения (15); и тогда остается решить замкнутую систему дифференциальных уравнений относительно медленных химических переменных.

Начнем с первого шага алгоритма. Будем считать, что решение системы алгебраических уравнений (14) относительно быстрых переменных существует и является единственным. Именно так обстоит дело, когда все быстрые стадии являются обратимыми [8]. В других случаях указанное условие может не выполняться. Об этом будет речь дальше.

Итак, обозначим с помощью функции

Ф (X М0) ,

(16)

единственный корень (решение) уравнения (14). Подставим полученное выражение в правую часть второго уравнения системы (15) и получим систему дифференциальных уравнений относительно медленных химических переменных:

dx,

dt

= g(Ф(Xне.XМ0)); XМ0(0) = 0ад. (17)

Дополнительный индекс "0" здесь введен для того, чтобы отличить химические переменные вырожденной системы от химических переменных полной системы кинетических уравнений. Решение системы х Б0 ^), х М0 ^) (14) не является точным по отношению к системе (8), (9). Учитывая, что первое уравнение системы (15) означает, по существу, условие достижения равновесия быстрых стадий, будем называть решение системы (15) квазиравновесным приближением задачи (8), (9).

В зависимости от того, какая модель принимается за отправную, систему (8), (9) называют полной или возмущенной (под возмущением подразумева-dxБ

ются члены , с

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком