МАТЕМАТИЧНЕ ТА ІМІТАЦІЙНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ХІМІЧНОГО РЕАКТОРА ІДЕАЛЬНОГО ВИТІСНЕННЯ ДЛЯ ОПТИМІЗАЦІЇ КІЛЬКОСТІ КАТАЛІЗАТОРА

Анотація

У статті розглянуто питання поєднання математичного та імітаційного моделювання для аналізу й оптимізації роботи реактора ідеального витіснення (РІВ) на прикладі реакції дегідратації метанолу до диметилового ефіру у газовій фазі в присутності каталізатора. Метою дослідження визначено побудову математичної моделі на основі класичних рівнянь матеріального та енергетичного балансу з наступною реалізацією імітаційної схеми у середовищі DWSIM із застосуванням термодинамічного пакету Пенг-Робінсона. Показано, що математична модель дозволяє швидко оцінити базові параметри процесу, проте для високої точності розрахунків, урахування реальної кінетики та каталітичних особливостей доцільно залучати сучасне імітаційне моделювання. На основі імітаційного експерименту доведено, що зміна кількості каталізатора суттєво впливає на конверсію метанолу: збільшення від 0,6 до 2,2 кг/м³ дало змогу підвищити конверсію з 15,53 % до 81,86 %. Це засвідчує значну чутливість РІВ до варіації активної поверхні каталізатора та підтверджує важливість точного налаштування параметрів симуляції. Окрему увагу приділено використанню у DWSIM спеціального контролера для оптимізаційного підбору кількості каталізатора відповідно до заданої уставки конверсії. Розроблена імітаційна модель враховує хімічну стехіометрію, кінетику реакції, міжфазний масоперенос та особливості теплового режиму, що дозволяє моделювати реальні виробничі умови та прогнозувати поведінку реактора при зміні умов його експлуатації. Порівняльний аналіз показав, що математичний підхід зручний для первинного проєктування та оцінки впливу параметрів, а імітаційна схема забезпечує деталізацію та врахування низки додаткових факторів, що є ключовим для промислової практики. Отримані результати демонструють практичну цінність через поєднання обох підходів у сучасній хімічній інженерії та підтверджують можливість використання розробленої моделі для техніко-економічного обґрунтування та оптимізації роботи каталітичних реакторів без проведення дорогих фізичних експериментів. Представлені результати можна застосовувати для підготовки проєктної документації, розробки стратегії автоматизованого керування та навчання фахівців у галузі хімічного виробництва. Запропонована у роботі спрощена методика доводить свою ефективність для визначення ключових елементів у сучасних інжинірингових задачах та вдосконаленні існуючих технологічних рішень.