Масштабный переход

МАСШТАБНЫЙ ПЕРЕХОД (масштабирование), разработка аппаратов с размерами и мощностью, превышающими размеры и мощность ранее изученных прототипов. Переход от лаб. аппаратов к опытным, от опытных к промышленным сопровождается изменением показателей химико-технол. процессов (степеней превращ. сырья, состава конечных продуктов, уд. производительности и энергозатрат и т.д.). Возрастание масштабов аппаратов обычно связано с ухудшением показателей. Осн. задача масштабного перехода - достижение в пром. условиях таких показателей процессов, к-рые достигнуты на аппаратах меньших масштабов. Направления поиска техн. решений, обеспечивающих выполнение данной задачи, определяются результатами моделирования. При увеличении масштабов и мощности реакционных, тепло- и массообменных и иных аппаратов, как правило, возрастает неравномерность распределения материальных потоков, интенсифицируется или ухудшается перемешивание, изменяются локальные и средние по объему межфазные пов-сти контакта, появляются застойные зоны, каналы и т.д. Причины - увеличение масштаба турбулентности или возникающих циркуляц. контуров, изменение параметров конструкц. элементов аппаратов (распределит. и теплообменные устройства, насадки и др.) вследствие разл. условий их изготовления и эксплуатации. Напр., в колонных барботажных аппаратах эффективные коэф. перемешивания возрастают по ф-ле: D_э ~ d_a^1,3^-^1,5. В колонных массообменных аппаратах переход от меньшего диаметра d_a1 к большему d_a2 сопровождается увеличением высоты единицы переноса H_п (см. Массообмен): H_п2 — H_п1~ ln d_a2/d_a1. В аппаратах с мешалками из-за ограничений на допустимую мощность привода с ростом d_a интенсивность перемешивания может снижаться. Результатом изменений структуры потоков и являются отмеченные выше изменения показателей процессов.

При решении задачи масштабного перехода методами мат. моделирования прогнозируют ожидаемые изменения показателей и устанавливают условия проведения процессов (структура потоков, температурные и концентрац. поля) при требуемых показателях. Техн. решения по реализации этих условий находят экспериментально. наиб. распространены след. приемы осуществления масштабного перехода. 1. Отыскивают требуемые конструктивные решения путем технол. испытаний пром. аппаратов натурных размеров. Это самый дорогостоящий прием, практически неприемлемый для аппаратов большой единичной мощности. 2. Создают пром. аппарат из элементов, изученных в натурных масштабах (простейший пример - реактор или теплообменник в виде параллельных трубок). Данный прием надежен, но не универсален. Так, габариты аппаратов м. б. недопустимо велики, а задача распределения потока между элементами требует самостоят. решения. 3. Изучают "холодные" модели аппаратов с потоками инертных сред (вода, воздух, твердые частицы). Опытным путем определяют характеристики структуры потоков: кривые отклика на концентрац. возмущения по меченому в-ву -трассёру, в т. ч. локальные; поля концентраций трассёра при стационарном его источнике (см. Трассёра метод), профили скоростей, разл. "индексы неоднородностей", отражающие отклонения локальных скоростей, плотностей, концентраций от осредненных значений этих величин. В ходе исследований находят конструкции распределит. и перемешивающих устройств, насадок, провальных и непровальных решеток и т.д., к-рые позволяют сохранить характеристики структуры потока при увеличении масштаба аппарата. Результаты мат. моделирования и эксперимент показывают, что при близкой структуре потоков в аппаратах разных масштабов близки и показатели технол. процессов. Данный прием наз. гидродинамич. моделированием. 4. Изменяют параметры технол. процесса так, чтобы он протекал в более благоприятном направлении при условиях переноса массы и теплоты в крупномасштабном аппарате. Напр., в хим. реакторах уменьшают скорость путем снижения т-ры с одновременным увеличением высоты или длины реакц. зоны. При снижении уд. производительности аппаратов это обеспечивает необходимый конечный состав перерабатываемого потока. 5. Разрабатывают технол. схему, позволяющую компенсировать изменения показателей процесса, напр., путем рецикла непрореагировавших продуктов.
При решении задачи масштабного перехода для конкретных процессов можно комбинировать указанные приемы. Пример: при увеличении масштаба реактора кипящего слоя для хлорирования углеводородов обнаружено значит. ухудшение селективности процесса. Мат. моделированием и натурным экспериментом выявлено, что причиной этого оказался рост размеров полых неоднородностей - пузырей (см. Псевдоожижение). Показано, что для масштабного перехода можно применять реактор, в к-ром кипящий слой разделен на две зоны: в нижней размещены теплосъемные пов-сти и существенно (по сравнению с лаб. прототипом) понижена т-ра; в верхней установлены провальные решетки, разрушающие пузыри, и достигнуто постепенное повышение т-ры до допустимых значений. Конструкции решеток, необходимые для расчетов коэф. переноса массы и теплоты, найдены при исследовании "холодного" аппарата. Длит. испытания подтвердили правильность принятого техн. решения. Из приведенного примера следует, что при масштабном переходе конструкции аппаратов и технол. режимы в случае необходимости могут значительно изменяться.

Розен А. М., Масштабный переход в химической технологии, М., 1980; Вертузаев Е. Д., "Хим. пром-сть", 1982, № 8, с. 458-60.

А. А. Ойгенблик.

Ещё по теме

Перемешивание в химических аппаратах — методы и конструкции мешалок

Структура потоков в химических процессах

Непрерывные и периодические процессы в химической технологии

Физико-химическая гидродинамика — механизмы и закономерности переноса

Макрокинетика — основы и практическое применение

Циклические режимы в химической технологии

Процессы переноса в различных системах

Смешение сыпучих материалов — принципы и аппараты

Плазмохимическая технология — принципы и применение