Масштабний перехід

(масштабування), розробка апаратів з розмірами і потужністю, що перевищують розміри і потужність раніше вивчених прототипів. Перехід від лаб. апаратів до досвідчених, від досвідчених до промислових супроводжується зміною показників хіміко-технол. процесів (ступенів превращ. сировини, складу кінцевих продуктів, уд. продуктивності і енерговитрат і т. д.). Зростання масштабів апаратів зазвичай пов'язане з погіршенням показників. Осн. задача М. п. - досягнення в пром. умовах таких показників процесів, к-які досягнуті на апаратах менших масштабів. Напрями пошуку техн. рішень, що забезпечують виконання даного завдання, визначаються результатами моделювання. При збільшенні масштабів і потужності реакційних, тепло- і масообмінних та інших апаратів, як правило, зростає нерівномірність розподілу матеріальних потоків, інтенсифікується або погіршується перемішування, змінюються локальні і середні за обсягом міжфазні пов-сті контакту, з'являються застійні зони, канали і т. д. Причини - збільшення масштабу турбулентності або виникають циркуляції. контурів, зміна параметрів конструкц. елементів апаратів (розподілить. і теплообмінні пристрої, насадки та ін.) внаслідок разл. умов їх виготовлення і експлуатації. Напр. , В колонних барботажних апаратах ефективні коеф.перемішування зростають по ф-ле: D е ~ d a 1, 3 - 1, 5 . У колонних масообмінних апаратах перехід від меншого діаметра d a1 до більшого d a2 супроводжується збільшенням висоти одиниці переносу H п (див. Массообмен ) : H п2 Ч H п1 ~ ln d a2 / d a1 . В апаратах з мішалками через обмеження на допустиму потужність приводу з ростом d a інтенсивність перемішування може знижуватися. Результатом змін структури потоків і є зазначені вище зміни показників процесів. При вирішенні задачі М. п. Методами мат. моделювання прогнозують очікувані зміни показників і встановлюють умови проведення процесів (структура потоків, температурні і концентрац. поля) при необхідних показниках. Техн. рішення по реалізації цих умов знаходять експериментально. наиб. поширені слід. прийоми здійснення М. п. 1. Відшукують необхідні конструктивні рішення шляхом технол. випробувань пр. апаратів натурних розмірів. Це найдорожчий прийом, практично неприйнятний для апаратів великої одиничної потужності. 2. Створюють пром. апарат з елементів, вивчених в натурних масштабах (найпростіший приклад - реактор або теплообмінник у вигляді паралельних трубок). Даний прийом надійний, але не універсальний. Так, габарити апаратів м. Б. неприпустимо великі, а завдання розподілу потоку між елементами вимагає самостійно. рішення. 3. Вивчають "холодні" моделі апаратів з потоками інертних середовищ (вода, повітря, тверді частинки). Дослідним шляхом визначають характеристики структури потоків: криві відгуку на концентрац. обурення по Міченому в-ву -трассёру, в т. ч. локальні; поля концентрацій трассёра при стаціонарному його джерелі (див. Трассёра метод ), профілі швидкостей, разл. "Індекси неоднорідностей", що відображають відхилення локальних швидкостей, щільності, концентрацій від усереднених значень цих величин. В ході досліджень знаходять конструкції розподілить. і перемішують, насадок, провальних і непровальних решіток і т. д., к-які дозволяють зберегти характеристики структури потоку при збільшенні масштабу апарату. Результати мат. моделювання та експеримент показують, що при близькому структурі потоків в апаратах різних масштабів близькі і показники технол. процесів. Даний прийом зв. гидродинамич. моделюванням. 4. Змінюють параметри технол. процесу так, щоб він протікав у більш сприятливому напрямку за умов перенесення маси і теплоти в великомасштабному апараті. Напр. , В хім. реакторах зменшують швидкість шляхом зниження т-ри з одночасним збільшенням висоти або довжини реакц. зони. При зниженні уд. продуктивності апаратів це забезпечує необхідний кінцевий склад переробляється потоку. 5. Розробляють технол. схему, що дозволяє компенсувати зміни показників процесу, напр. , Шляхом рецикла непрореагировавших продуктів.
При вирішенні задачі М. п. Для конкретних процесів можна комбінувати зазначені прийоми. Приклад: при збільшенні масштабу реактора киплячого шару для хлорування вуглеводнів виявлено значить. погіршення селективності процесу. Мат. моделюванням і натурним експериментом виявлено, що причиною цього виявилося зростання розмірів порожніх неоднорідностей - бульбашок (див. Псевдозрідження ). Показано, що для М. п. Можна застосовувати реактор, в к-ром киплячий шар розділений на дві зони: в нижній розміщені теплос'емние пов-сті і істотно (в порівнянні з лаб.прототипом) знижена т-ра; у верхній встановлені провальні решітки, що руйнують бульбашки, і досягнуто поступове підвищення т-ри до допустимих значень. Конструкції решіток, необхідні для розрахунків коеф. перенесення маси і теплоти, знайдені при дослідженні "холодного" апарату. Довгих. випробування підтвердили правильність прийнятого техн. рішення. З наведеного прикладу випливає, що при М. п. Конструкції апаратів і технол. режими в разі потреби можуть значно змінюватися. Літ. : Розен А. М., Масштабний перехід в хімічній технології, М., 1980; Вертузаев Е. Д., "Хім. Пром-сть", 1982, № 8, с. 458-60. А. А. Ойгенблік.


Хімічна енциклопедія. - М.: Радянська енциклопедія. Під ред. І. Л. Кнунянц. 1988.