ЗАКОНЫ СОХРАНЕНИЯ ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ В ЗАКРЫТОМ НЕИЗОТЕРМИЧЕСКОМ РЕАКТОРЕ НЕПОЛНОГО СМЕШЕНИЯ
Аннотация
В химических реакциях, протекающих стационарно или нестационарно в закрытых изотермических реакторах идеального смешения (РИС), всегда выполняются классические линейные стехиометрические законы сохранения, отражающие постоянство атомов того или иного вида в ходе всей реакции. В реальных условиях, с учетом возможных отклонений от условий идеального перемешивания или нарушений постоянства температурных режимов, на ход реакции могут оказывать заметное влияние различные макроскопические факторы (массоперенос, теплоперенос). Для исследования кинетики таких реакций используют более общую математическую модель реактора неполного смешения (РНС). Представляет интерес исследовать влияние диффузии и конвекции на закономерности стационарных режимов протекания неизотермических химических реакций, связанные с существованием более общих законов сохранения (инвариантов). Обнаружить такие инварианты (в особенности температурные) в РНС сложнее, чем в РИС, и в настоящее время они практически не установлены. В данной работе для химических реакций, протекающих в закрытом неизотермическом РНС по кинетическому закону действующих масс, установлены линейные концентрационные и температурные законы сохранения, в которых учитываются осложняющие процессы диффузии и конвекции. Эти законы сохранения связывают стехиометрию механизма реакции с концентрациями реагентов, температурой реакционной среды и интенсивностью макрокинетических процессов, что позволяет использовать их для более обоснованной идентификации линейных и нелинейных механизмов химических реакций при решении обратной задачи химической кинетики. Приведенные в работе новые законы сохранения могут быть обнаружены априори и проверены экспериментально.
Для цитирования:
Кольцов Н.И. Законы сохранения химических реакций в закрытом неизотермическом реакторе неполного смешения. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 7. С. 111-118. DOI: 10.6060/ivkkt.20246707.6976.
Литература
Nikolis G., Prigozhin I. Cognition of the complex. М.: URSS. 2017. 360 p. (in Russian).
Korzukhin M.D. Linear conservation laws in chemical kinetics. Zhurn. Fizich. Khim. 1972. V. 46. N 7. P. 1845-1847 (in Russian).
Bykov V.I., Tsybenova S.B. Nonlinear models of chemical kinetics. М.: URSS. 2011. 400 p. (in Russian).
Bykov V.I. Simulation of critical phenomena in chemical kinetics. М.: URSS. 2014. 328 p. (in Russian).
Bykov V.I., Tsybenova S.B., Yablonsky G.S. Chemical complexity via simple models. Berlin. New York: Germany. De Gruyter. 2018. 240 p. DOI: 10.1515/9783110464948.
Kol’tsov N.I. Nonlinear Kinetic Conservation Laws in a Buried Gradientless Reactor ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 1. P. 23-29 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226501.6268.
Fedotov V.Kh., Kol’tsov N.I. Kinetic quasiinvariants of chemical reactions in closed systems. ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 6. P. 47-52 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196206.5881.
Fedotov V.Kh., Kol’tsov N.I. Autonomous Kinetic Invariants of Linear Chemical Reactions. Kinet. Catal. 2019. V. 60. N 6. Р.776-782. DOI: 10.1134/S002315841906003X.
Kol’tsov N.I. Exact Autonomous Invariants of Nonlinear Chemical Reactions. Kinet. Catal. 2020. V. 61. N 4. Р. 530–536. DOI: 10.1134/S0023158420030143.
Kol’tsov N.I. Linear concentration and temperature conservation laws in an open non-isothermal non-gradient chemical reactor. Theor. Found. Chem. Eng. 2021. V. 55. N 2. P. 276-281. DOI: 10.1134/S0040579521020032.
Kol’tsov N.I. Nonlinear kinetic conservation laws in linear chemical reactions. Kinet. Catal. 2021. V. 62. N 1. P. 38-42. DOI: 10.1134/S0023158421010067.
Kol’tsov N.I. Stationary kinetic structures of chemical reactions. Kinet. Catal. 2021. V. 62. N 1. P. 33-37. DOI: 10.1134/S0023158421010055.
Kol’tsov N.I. Quasi-invariants of chemical reactions in distributed systems with diffusion. ChemChemTech [Izv. Vyssh.Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2021. V. 64. N 1. P. 41-46 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20216401.6133.
Frank-Kamenetsky D.A. Fundamentals of macrokinetics. Diffusion and heat transfer in chemical kinetics. M: Intellekt. 2008. 408 p. (in Russian).
Vanag V.K. Dissipative structures in reaction-diffusion systems. M.-Izhevsk: IKI-RHD. 2008. 300 p. (in Russian).
Kol’tsov N.I. Conservation laws and dissipative structures for chemical reactions in an open reactor with diffusion of reagents. Kinet. Catal. 2021. V. 62. N 6. P. 695–702. DOI: 10.1134/S0023158421060094.
Kol’tsov N.I. Conservation Laws for Chemical Reactions with Arbitrary Kinetics in a Partially Stirred Reactor. Russ. J. Gen. Chem. 2022. V. 92. N 9. P. 1845–1851. DOI: 10.1134/S1070363222090262.
Polyanin A.D. Handbook of linear equations of mathematical physics. M.: Fizmatlit. 2001. 576 p. (in Russian).
Ismagilova A.S., Spivak S.I. Inverse problems of chemical kinetics, Saarbrucken: Lap Lambert Acad. Publ. 2013. 117 p.
Spivak S.I., Kantor O.G., Morozkin N.D. Quality control of chemical kinetics models for optimizing the process of ob-taining 4-tert-butylpyrocatechol. Theor. Found. Chem. Eng. 2020. V. 54. N 3. P. 513–521. DOI: 10.1134/S0040579520020177.
Aster R.C., Borchers B., Thurber C.H. Parameter estimation and inverse problems. New York: Elsevier. 2013. 360 p.
Yagola A.G., Yanfey V., Stepanova I.E., Titarenko V.N. Inverse problems and methods for their solution. M.: Binom. Laboratoriya znaniy. 2014. 216 p. (in Russian).
Kol’tsov N.I., Fedotov V.Kh. Invariants and inverse prob-lems of chemical kinetics. Cheboksary: Izd. Chuvash. Univ. 2022. 240 p. (in Russian).
Kol’tsov N.I., Fedotov V.Kh., Alekseev B.V. Complex kinetics of chemical reactions. Cheboksary: Izd. Chuvash. Univ. 2023. 252 p. (in Russian).
Leonov A.S. Solving incorrectly posed inverse problems: an outline of the theory, practical methods and demonstrations in MATLAB. M.: Librokom. 2016. 360 p. (in Russian).
