Масштабирование процессов и аппарато

Существующие теория и методы расчета процессов тепло- и массообмена в колонных аппаратах базируются, как известно, на схеме идеального противотока. Степень отклонения реального профиля концентраций от гипотетического может быть весьма существенной и зависит от ряда факторов, к числу которых отно- сятся конструктивные особенности аппарата, физико-химические свойства взаимодействующих потоков, их рабочие скорости и др. Таким образом, метод масштабирования колонных аппаратов является заведомо некорректным, если при его использовании не учитывается явление продольного перемешивания. [c.9]

Каждая лабораторная установка для моделирования или масштабирования процесса фильтрования (модельная установка) в качестве основной детали включает модель промышленного аппарата, а также набор различных емкостей, коммуникаций, арматуры, съемных приспособлений, контрольно-измерительных приборов, автоматически записывающих устройств и т. д. Лабораторная модель промышленного фильтра или центрифуги является как бы элементом поверхности фильтрования промышленного оборудования, на котором последовательно осуществляются операции фильтрования, промывки осадка, продувки его воздухом или отжима диафрагмой, нанесения вспомогательного вещества, удаления осадка с перегородки и регенерации фильтрационных свойств перегородки. В лабораторной модели большей частью не соблюдается геометрическое подобие промышленному фильтру. Например, для моделирования работы барабанного вакуум-фильтра с цилиндрической поверхностью фильтрования используется погружная воронка — плоский фильтрующий элемент, который последовательно погружается в суспензию, имитируя зону фильтрования на барабанном фильтре, затем поворачивается поверхностью фильтрования вверх, когда осадок промывается, затем через осадок просасывается воздух, после чего под ткань подается сжатый воздух для отдувки осадка. [c.206]

Несмотря на трудности получения количественно достоверных данных на непрерывно действующей аппаратуре малого масштаба, переход к оборудованию непрерывного действия уже на раннем этапе кинетических исследований дает определенные преимущества во-первых, уравнения скорости упрощаются до алгебраических выражений, а во-вторых, для масштабирования процесса рано или поздно все равно придется перейти от лабораторного периодического реактора к промышленному аппарату непрерывного действия. [c.228]

Другой, более сложный, пример, иллюстрирующий невозможность отыскания подобия, которое охватывало бы все физические факторы одновременно, приводит Бекманн [115], рассматривающий проблему масштабирования процесса полимеризации на основе экспериментов, проведенных на модели аппарата. Для получения значимой информации о важнейших физических факторах эксперименты на модели аппарата необходимо проводить в условиях, отличных от тех, которые будут существовать в масштабе промышленного производства только таким путем можно получить соответствующие проектные данные для промышленного аппарата. При использовании геометрического подобия для достижения соответствия распределений времен пребывания смеси в модели реактора и в производственном аппарате фактически пришлось работать со смесью, обладающей меньшей вязкостью, а для изучения влияния тешературы и концентрации на степень полимеризации — прибегнуть к более высоким скоростям полимеризации. [c.271]

Количественное описание процесса экстракции в интенсифицированных экстракторах, предсказание их основных характеристик, необходимое для масштабирования промышленных аппаратов, наталкиваются на значительные трудности, обусловленные сложностью и противоречивостью воздействия различных факторов на эффективность процесса. [c.30]

В результате исследования процесса сушки ряда красителей и текстильно-вспомогательных веществ был определен оптимальный температурный режим, проверенный затем на опытно-промышленной установке. Были получены те же удельные производительности, что свидетельствует о возможности надежного масштабирования подобных аппаратов. [c.115]

Унификация предполагает соблюдение условий масштабирования — соответствия данных испытаний процесса на опытных установках для проектирования промышленных аппаратов. Как было отмечено выше, закономерности масштабирования процессов в КС впервые, достаточно обоснованно, рассмотрены Тодесом [4, 13]. При создании промышленного метода обезвоживания мы могли опираться только на обобщение собственных экспериментальных данных и, в известной степени, на инженерную интуицию. В настоящее время появилась возможность составления выводов Тодеса и положений, обосновавших создание унифицированного ряда, которые в целом подтверждают правомерность принятых нами условий масштабного перехода. Учитывая важность этого вопроса, остановимся на нем подробнее. [c.83]

Наиболее целесообразным представляется следующий способ действия. После разработки технологической концепции следует выделить те единичные элементы процесса, для которых аппараты могут быть спроектированы в промышленном масштабе непосредственно на основе лабораторных исследований. Масштабирование остальных элементов процесса необходимо проводить эмпирическим способом, применяя, однако, современные методы математической обработки экспериментальных данных и используя все возможности рациональной экстраполяции результатов для максимального ограничения числа этапов масштабирования. Важную роль при этом играют опыт и интуиция исследователя и проектировщика. [c.442]

Для повышения масштаба простых единичных процессов, таких как транспортирование материалов, массообмен или разделение веществ, можно пользоваться расчетными методами. Однако во многих случаях, когда применяются аппараты новых типов, сложные многофазные системы или вещества с недостаточно исследованными физико-химическими свойствами, приходится использовать моделирование как более точный метод масштабирования. [c.446]

В случае гетерогенных реакций, при проведении которых на ход процесса влияет массообмен через межфазную поверхность, достижение одинаковых скоростей реакции требует дополнительного соблюдения равенства межфазной поверхности, рассчитанной на единицу объема реакционной системы. При разборе масштабирования аппаратов с мешалками было показано, что для выполнения этого условия необходимо сохранить геометрическое подобие аппаратов и равенство расхода мощности на перемешивание в расчете на единицу объема системы. При этих предположениях трудно соответствующим образом повысить интенсивность теплообмена в образце и практически возможен некоторый отход от геометрического подобия с целью увеличения поверхности теплообмена в аппарате большего масштаба. - [c.472]

Кинетические коэффициенты процессов тепло- и массообмена, а также химических реакций, базирующиеся на модели идеального противотока, характеризуют не истинные, а лишь кажущиеся скорости протекания этих процессов и не могут быть приняты ни для моделирования и масштабирования лабораторных моделей, ни для оценки эффективности действующих, а также выбора и проектирования новых промышленных аппаратов. Надежными являются лишь те кинетические параметры и зависимости, которые [c.8]

При решении задачи проектирования ХТС наряду с методом математического моделирования широко применяется метод физического моделирования. Метод физического моделирования используется для нахождения границ деформации коэффициентов уравнений априорной математической модели (в ряде случаев определяются и границы деформации функционального вида этих уравнений). Тем самым указанный метод применяется для масштабирования технологических процессов и аппаратов реальной ХТС, созданной на основе принятой априорной математической модели, и для установления адекватности этой математической [c.50]

Аппараты кипящего слоя постоянного сечения или несколько расширяющегося по высоте широко применяются в крупнотоннажном производстве цветной металлургии и химической промышленности [37]. Основными достоинствами таких аппаратов при проведении процессов обезвоживания и грануляции неорганических солей с достаточно высокими температурами плавления являются простота конструкции и легкость масштабирования. Последнее было подтверждено почти полным совпадением закономерности динамики, гранулометрического состава и параметров устойчивого режима в подобных аппаратах о сечением решетки от 0,006 до 8,2 м . К основным недостаткам аппаратов кипящего слоя можно отнести невозможность повышения скорости, трудность обработки поли-дисперсных систем и недостаточную интенсивность гидродинамического режима вблизи решетки. Аппараты со значительным углом [c.98]

Нам представляется, что решение столь важных для инженерной практики проблем правильного масштабирования может быть облегчено лишь, если на базе анализа всех имеющихся опубликованных данных (десятки монографий, многие тысячи статей) и модельных представлений удастся выделить физические модели всех основных процессов, протекающих в кипящем слое, а не только для внешнего теплообмена. В первую очередь при этом следует четко установить, какие группы явлений и закономерностей физически не должны зависеть от масштаба и геометрии аппарата, а какие и почему должны определяться главным образом этими масштабами. [c.5]

Еще более трудны для анализа и расчета практически важные случаи реакций с последовательными и параллельными стадиями. Если, например, при окислении этилена воздухом целевым продуктом является окись этилена, то за счет обратного перемешивания или избыточного количества катализатора, встреченного на пути данной струйкой газа, молекулы полученной окиси этилена могут окислиться дальше до ненужного конечного продукта полного окисления СО2, т. е. сгореть . Моделирование и масштабирование подобных сложных и многоступенчатых каталитических процессов для аппаратов кипящего слоя представляет весьма большие трудности. [c.186]

Иногда мы располагаем данными о кинетике того или иного процесса, выявленной по обычно применяющимся методикам. Однако эти данные будучи пригодны при выборе оптимального технологического режима, в большинстве случаев (в особенности для каталитических процессов) недостаточно точны для перехода методами масштабирования от модельных аппаратов к промышленным, а также для оптимизации аппаратурного оформления и автоматизации, и требуют коррекции. Объясняется это тем, что уравнения кинетики, выведенные в лабораторных условиях применительно к широкому диапазону изменения параметров без учета факторов, появляющихся при промышленном оформлении процесса, отражая общие закономерности, не могут обладать необходимой точностью математического описания процесса для рассматриваемых целей. [c.19]

Дело в том, что обычно постановке вопроса о масштабировании и автоматизации того или иного химического процесса всегда предшествует выполнение экспериментальных работ, на основании которых выявляют и рекомендуют технологический режим. Другими словами, выбирают давление, температуру, исходные концентрации реагирующих веществ и степень их превращения устанавливают, необходимо ли проводить процесс с применением катализатора или без него и наконец в каком аппарате (с перемешиванием в реакционном объеме или без перемешивания в направлении потока). Выбранный режим обусловлен регламентом, которым оговариваются допустимые отклонения параметров от заданного режима. Таким образом, как-бы заранее задается ограниченная (локальная) область, в которой должен протекать процесс. В рассматриваемом случае совершенно не обязательно знать кинетику для широкого диапазона изменения параметров, что в значительной степени облегчает получение необходимых кинетических данных для составления математического описания процессов. [c.21]

Математическое описание в локальной области сложного химического процесса, протекающего в аппарате с перемешиванием в объеме, можно также выполнить на вычислительной машине, использовав рассмотренный алгоритм решения этой задачи аналитическим методом. На основании полученного математического описания можно построить математическую модель и провести исследование процесса для решения задач масштабирования, автоматизации и оптимизации процесса в выбранной локальной области или даже по отысканию направления оптимума методами направленного эксперимента. [c.183]

Для применения переходных коэффициентов устойчивости с целью масштабирования химических реакторов необходимо иметь отработанный режим процесса в лабораторном реакторе с удовлетворительной устойчивостью, соответствующей определенному интервалу температур при сохранении стабильных значений концентраций в аппарате, а также других параметров, при помощи которых процесс может быть управляем. Если устойчивость прототипа и модели одинаковы, то общий переходной коэффициент равен единице. [c.21]

Проведенные в Санкт-Петербургском государственном технологическом институте исследования показали, что струйные газо-жидкостные аппараты не уступают по интенсивности массопереноса системам с механическими мешалками [58]. При этом они не содержат погруженных в жидкость подвижных устройств и сложного привода, что существенно повышает их эксплуатационную надежность и ремонтопригодность. Выносной насос удобен для осмотра, прост в обслуживании. В случае неполадок в его работе наличие резервного насоса позволяет провести ремонт без остановки технологического процесса. Интенсивность работы струйных аппаратов легко регулируется изменением расхода циркулирующей жидкости. Еще одним важным достоинством аппаратов со струйными диспергаторами газа является отсутствие трудностей масштабирования, поскольку увеличение объемов перерабатываемых сред требует только увеличения числа параллельно работающих струйных элементов. [c.532]

Применение роторно-пленочных аппаратов для массообменных процессов, в частности ректификации, ограничено проблемой масштабирования. Отсюда ясно, почему переход от лабораторных колонн к крупным промышленным аппаратам до сих пор был практически невозможен. Для поисков путей в данном случае было мало только одного более или менее удачного конструктивного решения. Необходимо было прежде всего подробно исследовать механизм и количественные соотношения, связанные с наложением вращательного движения на фазы, участвующие в процессе массообмена. Это не только позволит аргументировать поиск конструкции, отвечающей необходимым требованиям, но и предопределить, как и с какими показателями такая конструкция будет работать. [c.8]

С другой стороны, чтобы получить результат измерения, необходима экспериментальная установка, которая требует затрат средств и времени на ее изготовление и проведение экспериментов. Еще одна весьма существенная особенность экспериментального метода исследования состоит в масштабировании исследуемых процессов. Дело в том, что экспериментальные измерения редко удается проводить на установке реальных размеров - для этого натуральная установка, как минимум, должна быть смонтирована. Но расчетные результаты для промышленной установки как раз и нужны еще на стадии ее проектирования, чтобы заранее найти необходимые параметры ее работы (скорости, размеры, необходимые разности давлений и т. п.). Во многих случаях, когда разрабатываются данные для уникальной будущей установки (проектируемой плотины, еще не существующего аппарата, проектируемого самолета и т. п.), эксперименты приходится проводить на уменьшенных моделях будущего объекта. При этом возникает очень важный вопрос о достоверности применения результатов измерений, полученных на уменьшенной модели, к будущему объекту больших размеров. Ответ на этот весьма важный вопрос может быть получен на основе метода теории подобия, которая указывает, как рационально организовать экспериментальные из-78 [c.78]

Большое значение как при периодической, так и непрерывной организации процесса, имеет характер движения потоков — прямоток, противоток или перекрестный ток. Структура потоков в аппарате (полное вытеснение, полное перемешивание или их комбинация) определяет выбор математической модели процесса, включающей уравнения, описывающие статику и динамику, а также граничные и начальные условия и другие характеристики процесса. Составление математической модели в каждом частном случае ведется в соответствии с системным подходом к процессу процесс разбивают на элементарные стадии, расположенные в иерархическом порядке. На первом уровне математической модели обычно располагают зависимости, описывающие условия равновесия, а также характер химических превращений (если они имеют место). На втором иерархическом уровне описываются закономерности элементарных процессов переноса, идущих в единичном зерне, в одной капле, пузыре и т. п. Третий уровень соответствует моделированию процесса в целом слое, на тарелке и т. д., включая в себя зависимости второго уровня. На четвертом уровне принимается во внимание расположение отдельных слоев, тарелок, теплообменных устройств в целом аппарате (с учетом фактора масштабирования). Пятый уровень включает описание гидродинамики и массообмена в каскаде реакторов или агрегате. [c.74]

Один из главнейших моментов разработки процесса — выявление факторов, определяющих скорость процесса в масштабированной установке, и, по мере возможности, количественное определение этих факторов. К подлежащим рассмотрению факторам относятся не только скорости реакции и теплопередачи, но также и скорость массопередачи внутри отдельных аппаратов и устройств процесса и между ними. Можно было бы привести множество примеров того, как заниженные при проектировании размеры клапанов и трубопроводов не позволяли достигнуть высокой производительности всего предприятия, но мы не станем углубляться в эту тематику. [c.199]

С увеличением размеров аппарата уменьшаются соотношения поверхности и объема процессы, скорость протекания которых опре-, деляется проходом через поверхности или реакцией на поверхностях, начинают сильно зависеть от масштабов. Перенос энергии, с которым чаще всего приходится иметь дело при масштабировании, сводится к передаче или отводу тепла этот процесс зависит главным образом от геометрии и все больше затрудняется по мере увеличения диаметра аппарата. Возмоншо, проблема будет сводиться не просто к общему переносу тепла — она может оказаться связанной с градиентом температуры в реакторах этот последний фактор существенно влияет на протекание реакций и их интенсивность. [c.200]

Масштабирование массообменных аппаратов. Аппараты, в которых основным процессом является массоперенос, масштабировать очень трудно. Большие сложности вызывает сохранение гидродинамического подобия, поскольку в этом случае приходится иметь дело с двухфазным потоком. Критерии подобия движения фаз различны и при использовании одних и тех же веществ в модели и образце приводят к противоречивым условиям увеличения масштаба. Большое разнообразие массообменных аппаратов не дает возможности вывести общие правила масштабирования, поэтому мы ограничимся примером повышения масштаба абсорбционной колонны с насадкой. Движение газа в колонне обусловлено разностью давлений на входе и выходе. Критерий Рейнольдса, отнесенный к эффективному диаметру насадки dz и массовой скорости газа G, характёризует подобие движения потоков [c.456]

В принципе возможен следующий путь масштабирования колонных аппаратов. На основе физической модели структуры потоков в аппарате данной (конструкции и результатов зкаперименталь-ного исследования его ла(бораторного или укрупненного образца получают зависимости для оценки Еп в промышленном аппарате. Расчет аппарата с учетом кинетических (коэффициенты массопередачи, константы скорости реакции) и найденных гидродинамических ( п) параметров процесса является достаточно надежным. [c.253]

Существенное преимущество предлагаемого нами подхода (IV. 13) —возможность, базируясь на общей концепции об определяющей роли гравитационных колебаний, оценки характера зависимости дисперсионных времен Тд и Тв от масштаба реактора Н. Схемы же Ван Свааи и др. требуют для реального масштабирования процесса установления каких-либо эмпирических корреляций для зависимости Тр от скорости потока, высоты и диаметра аппарата и свойств самого зернистого катализатора. [c.184]

По первому пути определения Ираб пошли Каганович с соавт. [151 ] при разработке и внедрении процессов обезвоживания солей в кипящем слое. Минуя все промежуточные стадии масштабирования, промышленные аппараты они проектировали на базе данных, полученных в опытной лабораторной установке. Рабочую же скорость потока (условно названную второй критической скоростью) подбирали непосредственно на уже построенной заводской установке. Специфика процесса в данном случае заключалась в том, что температура газа, подаваемого для испарения влаги, значительно превышала температуру плавления образующихся и растущих гранул. Все это создавало опасность при недостаточной интенсивности циркуляционных движений частиц и их тепло- [c.213]

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 М. п.-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. [c.664]

Обязательным условием общего системного анализа технологического процесса является количественное описание взаимосвязей потоков сырья, продуктов, вспомогательных веществ и отходов на протяжении всего процесса. Общепринятым сжатым методом такого описания является схема потоков. Количественная схема также является результатом абстрагирования от реальной действительности и соответствует текущему уровню знаний о процессе. Кроме того, количественные величины относятся только к одной совокупности условий, вследствие чего они мало говорят о влиянии изменения входных потоков, а также рабочих условий на выходные параметры. При наличии необходимых данных можно составить схемы материальных потоков по альтернативным вариантам сочетания входных переменных и рабочих условий. Таким образом, при построении моделей процесса основная проблема заключается в описании аппаратов, входящих в технологическую схему производства, с помон1,ью систем уравнений, достаточно простых для того, чтобы задача составления полной схемы материальных потоков оставалась практически разрешимой. Для решения задач масштабирования и получения надежной информации для проектирования нового промышленного производства и последующего управления им важное значение имеет опытно-промышленная стадия разработки процесса. [c.236]

Многие единичные процессы (например, теплообмен, ректификация, осаждение и т. д.) изучены настолько полно, что на основе лабораторных исследований можно без большого риска сразу же рассчитывать аппараты промышленного масштаба. Следовательно, при этом отпадает необходимость проведения исследований в четверть- и полупромышленном масштабе (если, конечно, нет необходимости определения эффектов продолжительной работы всей непрерывнодействующей установки). Другие единичные элементы процесса, масштабирование которых вызывает затруднения (например, кристаллизация, процессы в гетерогенных системах), а также сложные химические превращения должны, как правило, исследоваться во всех запланированных промежуточных масштабах. [c.441]

Для достижения таких эффектов необходимо умело сочетать эмпирические исследования с современными математическими методами, позволяющими определить оптимальный вариант технологического процесса в наикратчайшеё время и при разумном риске. В течение последних лет для этой цели разработаны прогрессивные методы, использующие достижения математики и технической кибернетики, — так называемая стратегия разработки систем, или системотехника. Как и при использовании метода масштабирования, в этом случае также составляется математическая модель, но она описывает весь технологический процесс (или наиболее важную его часть) как систему взаимосвязанных элементов. Модель, в которой ряд величин и зависимостей экстраполируется с объекта меньшего масштаба, вносит в проектные расчеты фактор ненадежности. Системотехника включает также способы оценки надежности и принятия оптимальных решений при проектировании в определенных условиях. Важным преимуществом комплексного математического описания процесса является, возможность определения оптимальных рабочих параметров не для отдельных аппаратов, а для всей технологической цепочки как единого целого. Подробное описание математических методов оптимизации, оценки надежности и теории решений выходит за рамки данной книги, поэтому мы вынуждены рекомендовать читателю специальную литературу (см. список в конце книги). Ниже будут рассмотрены основные понятия, применяемые в системотехнике, и принципы разработки систем, а также их моделей. [c.473]

В пособии рассматриваются современные представления о равновесии и диффузии в бинарных и многокомпонентных системах. Излагаются гидродинамические основы однофазных и двухфазных систем. Даны принципы математического моделирования процессов массопередачи. Впервые систематизируются математические модели и алгоритмы расчета процессов абсорбции, ректификации и экстракции. Описываются основные типы диффузионньгх аппаратов, приводится их расчет, моделирование и масштабирование. Дается сравнительная оценка различным конструкциям диффузионных аппаратов. [c.2]

Если речь идет о масштабировании реакторов, то, очевидно, следует сравнивать воспроизводимость тепловых режимов при одинаковом температурном воздействии, т. е. при 0 = idem. Тогда совершенно ясно, что идентичность тепловых режимов в реакторах разных размеров определяется при /гс = onst равенством для процессов теплообмена в сравниваемых аппаратах коэффициентов Т при производной в уравнении теплообмена вида [c.82]

Наибольшая трудность при разработке и создании новых прогрессивных процессов в кипящем слое — практическая невозможность их масштабирования (s aling up). При естественном пути лабораторная колонка — пилотная установка — опытнопромышленный аппарат —серийный реактор, на каждом из переходов от одного этапа к последующему исследователя и инженера ожидают многочисленные неожиданности в поведении системы, зачастую такие, что заставляют на каждом последующем этапе начинать с нуля . Наглядным примером этого служит история разработки и внедрения в США во время второй мировой войны первого крупномасштабного производства — каталитического крекинга в псевдоожиженном слое. Большая группа ученых и инженеров-техноло-гов, переходя от одного из перечисленных выше этапов к следующему, непрерывно сталкивалась на каждом переходе с новыми проблемами и трудностями. Все это позволило высказать утверждение, что масштабный переход к проектированию крупных промышленных аппаратов можно делать после отработки процесса на пилотной установке диаметром не менее 100 мм. Опыт освоения многих других процессов привел к тому, что в настоящее время эту границу часто отодвигают до 500 мм. [c.4]

Сказанным определяется значение курса Процессы и аппараты для изучения не только фйзических, но и химических промышленных процессов, а также аппаратов для их проведения, причем проблемы масштабирования и моделирования особенно интенсивно разрабатываются в последние годы. [c.10]

Следует иметь в виду сложность масштабирования аппаратов с фонтанирующим слоем круглого сечения, преимущество которых перед аппаратами с псевдоожиженным слоем состоит в более активном гидродинамическом режиме в нижней части аппарата. Рассмотрим процесс обезвоживания растворов с получением гранулированного продукта в легко масштабируемых высокоинтенсивных щелевых аппаратах с вихревым слоем (рис. 5.37), снабженных воздушным сепаратором [28, 29]. Объектами исследования были растворы натриевой соли ж-дисульфокислоты бензола (ДСКБ) концентрацией 503о и хлористого калия концентрацией [c.307]

При переходе от малых (лабораторных) аппаратов к крупным (промыщленным), т.е. при масштабировании аппаратуры, интенсивность Пр.П обычно растет, так как возрастает поперечная неравномерность потока (из-за трудностей его равномерного распределения по большому сечению) и усиливаются обратное перемешивание и циркуляционные токи (из-за повышения масштабов и усложнения внутреннего устройства аппаратов). Это становится особо важным для аппаратов большой единичной мошности в них нередко заметно падает эффективность процесса — мы говорим при переходе к крупным аппаратам возникают масштабные осложнения. Здесь нео мдимо [c.617]