ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Масштабирование химических реакторов и некоторые вопросы их оптимального проектирования и управления ими из "Методы кибернетики в химии и химической технологии 1968" Сущность масштабирования сводится к нахождению условий, при которых возможен непосредственный перенос опытных данных, полученных для данной системы, с одного масштаба аппарата на другой или соответственно с модельной установки на аппарат промышленного масштаба. [c.321] Критерии подобия. Масштабирование некоторых физических процессов, протекающих в одной фазе, можно осуществить с применением принципов физического моделирования. При этом используют критерии геометрического и физического подобия, получаемые из дифференциальных уравнений, описывающих рассматриваемый процесс, или на основании анализа размерностей величин, определяющих ход процесса. [c.321] Однако, как уже отмечалось (см. стр. 15), применение принципов физического моделирования для сложных процессов, какими, в частности, являются химические процессы, не дает желаемых результатов. Тем не менее попытки ввести критерии подобия для химических процессов на основании формального приведения основных дифференциальных уравнений закона сохранения материи и энергии с учетом химических превращений к безразмерным комплексам позволили формализовать эти уравнения и получить четыре критерияименуемых критериями Дамкелера (Оаь Оац, Оащ и Оаху), а для обратимых реакций — критерии контакта (Ко) и равновесности (Ра), сущность которых ясна из табл. 47. [c.321] Уже самый вид критериев химического подобия показывает, что они не могут одновременно удовлетворяться, поскольку определяющий линейный размер I входит в них как в первой, так и во второй степени. Кроме того, эти критерии несовместимы с критериями, определяющими физическое подобие, например критериями. Рейнольдса, дающими иную зависимость от линейной скорости потока. [c.321] Примечание. Одинарной конец стрелки указываег на знаменатель, двойной —на цид-литель. [c.322] Влияние различных факторов на масштабирование. Очень часто в промышленности две аналогичные реакторные системы работают совершенно различно, например опытный реактор и промышленный реактор, или, более того, два идентичных промышленных реактора не дают одинаковых показателей работы. Эта разница является результатом различия в характере потоков в реакторе, кинетике процесса, эффективности катализатора и т. д. Отделение чистой кинетики от физических эффектов затруднительно. Поэтому прежде всего необходимо использовать ранее описанный (см. стр. 169) метод определения эффективности данного реактора или системы реакторов (последовательных, параллельных и т. д.). [c.323] Нужно всегда иметь в виду также следующие важнейшие обстоятельства. Как было показано выше, в различных реакторах отдельные порции реакционной смеси задерживаются разные промежутки времени, т. е. статистически устанавливается различное время пребывания частиц жидкости в аппарате, количественно оцениваемое только кривой отклика системы. Поэтому для получения в модели и прототипе одинакового выхода желаемого продукта необходимо соблюдать равенство распределения времени пребывания или идентичности кривых отклика системы. [c.323] Для уменьшения эффекта продольного смешения и выравнивания профиля скоростей целесообразно максимально увеличить скорость потока. Для устранения циркуляции и образования воронок при смешении жидкостей желательна установка отражательных перегородок, обеспечивающих также достижение гидродинамической автомодельности. [c.323] При осуществлении реакций с большим выделением или поглощением тепла, проводимых в геометрически подобных аппаратах, возникает осложнение, заключающееся в том, что с возрастанием размеров реактора (при сохранении геометрического подобия) уменьшается отношение теплообменной поверхности к его объему, причем условия подво да и отвода тепла ухудшаются. [c.323] Поэтому для получения в модели и прототипе одинаковых условий теплообмена при экзотермических процессах необходимо соблюдать постоянство коэффициентов тепловой устойчивости (см. ниже), что может привести к изменению характера поверхности теплообмена (ввод выносных теплообменников). [c.323] При переходе от одного масштаба к другому в случае сильно экзотермической реакции (во избежание осложнений вследствие образования в реакторе температурного профиля) в качестве модели обычно применяют один элемент большого реактора, если последий состоит из нескольких одинаковых элементов (например, если реактор, предоставляет собой систему трубок, заполненных катализатором, таким элементом выбирают одну из трубок). [c.324] При р 1 процесс устойчив, а при р 1—неустойчив. Оценка устойчивости выполняется при условии линеаризации кривых зависимости прихода Qпp. и расхода Qp тепла от температуры Т в окрестностях равновесного состояния (рис. VII- ). [c.324] Приведем математическое обоснование коэффициента устойчивости. Запишем уравнения линеаризованных кривых изменения тепловых потоков прихода и расхода с температурой Т (рис. УП-1). [c.324] Тогда в уравнении (УП, 6) коэффициент р характеризует устойчивость процесса чем больше р, тем больше его устойчивость при р = 0 процесс находится на границе устойчивости при р 0 процесс неустойчив, и тем больше, чем больше р по абсолютной величине. [c.325] При 6 = 1 устойчивости в модели и объекте одинаковы если б 1, то устойчивость в объекте увеличивается при б 1—уменьшается. [c.326] При т 1 переходный коэффициент устойчивости бу 1, т. е. с увеличением поверхности теплообмена устойчивость процесса возрастает. [c.326] При г 1 коэффициент б 1, т. е. с удлинением периода загрузки устойчивость процесса возрастает. [c.327] Если пренебречь энтальпией загружаемой смеси, то переходный коэффициент устойчивости становится равным отношению времени -загрузки в объекте к времени загрузки в модели, т. е. [c.327] Из последнего соотношения следует, что общий переходный коэффициент устойчивости прямо пропорционален отношению поверхностей теплообмена и отношению времени загрузки и обратно пропорционален отношению линейных размеров реактора и его модели. [c.327] Для применения переходных коэффициентов устойчивости с целью масштабирования химических реакторов необходимо иметь отработанный режим процесса в опытном реакторе с удовлетворительной устойчивостью, соответствующей определенному интервалу температур при сохранении стабильных значений концентраций в аппарате, а также других параметров, по которым можно управлять процессом. Если устойчивость прототипа и модели одинаковы, общий переходный коэффициент равен единице. [c.327] Вернуться к основной статье