המעבר מניסויים בקנה מידה מעבדה לייצור בקנה מידה תעשייתי הוא אתגר מכריע בהנדסה כימית. בעוד מגיב טנק רציף (CSTR) עשוי להופיע צפוי בחלק העליון של הספסל, אותו עיצוב יכול להתנהג בלתי צפוי - ופוטנציאל מסוכן - תמיד כאשר בקנה מידה.שורש הוא נמצא בדרגות הלא לינאריות של חום ואפקטים העברה המונית.

מה זה Scale-Up ב- Chemical Reactors?

סולם הוא תהליך של תכנון כור מסחרי המבוסס על נתונים מיחידות קטנות, בדרך כלל במעבדה (0.1-10 L), ספסל (10–100 L), או פיילוט (100–1000 L) בקנה מידה גדול יותר, המטרה היא להשיג את אותה המרה,סלקטיביות, ואיכות המוצר בקנה מידה גדול יותר תוך הבטחת תפעול בטוח וכדאיות כלכלית.

מספרים ללא ממדיים מרכזיים בשימוש ב- CSTR Scale-up כוללים:

  • מספר ה-[[1924]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]], [[1924]]]]]], [[1924]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]], [[1924]]]]]]]]]]
  • מספר ניטראט (Nusselt Number)FLT:1 (נ) מתייחס להעברת חום אחידה להעברה חום התנהגותית בנוזל.
  • מספר העצמה (Np) 1 (Np) , הוא מספר של צריכת חשמל של רבי-עוצמה עם תכונות נוזליות ומהירות זעזוע.
  • מספר (Da)9.comph.1 - משווה את קצב התגובה לשיעור התחבורה (חום או מסה).

בחירת הקריטריון המתאים לדרג (למשל, כוח קבוע לנפח יחידה, מהירות טיפ קבועה או מספר ריינולדס קבוע) תלוי אם התהליך נשלט על ידי העברת חום, העברה המונית, או קינטיקה. בחירה גרועה יכולה להוביל לסטיות חמורות מהביצועים הצפויים.

תוצאות של Scale-Up על העברת חום

העברה חמה ב- CSTR היא קריטית לתגובות אקספרסימיות.הכור חייב להסיר חום בקצב שווה או גדול יותר מהחום שנוצר על ידי התגובה למנוע טמפרטורות מפלט.כפי שעולה, ה-FLT:0surface-area-to-ume יחס מופחת באופן דרמטי על פני השטח של 1 (עבור כלי ריבועי או cydrical, היחס הוא 1 / כלומר אורך כפול של 10) באופן ישיר של לחץ דם נמוך יותר מגובה של 10.

אתגרים של העברת חום

  • (FLT:0) אספקת חום לאזור נפחFirLT:1 - מוביל למקדם העברת חום נמוך יותר (U) ביחס לשיעור דור החום.
  • (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0) ⁇ sFLT:1 ; הליבה של הכור עשוי להיות חם משמעותית יותר מאשר אזור הקיר, גרימת שיעורי תגובה לא אחידה ואובדן בחירה פוטנציאלי.
  • (FLT:0) טמפרטורת גליקולק עולה 1:1 - במערכות קרירות למדי, הטמפרטורה הממוצעת יכולה לעלות על החלון התפעולי המתוכנן, עלייה של תגובות צד או זרזים משפילים.

למה שטח הפנים כל כך חשוב?

העברה חמה ב- CSTR מטורפת נשלטת על ידי המשוואה:

(ב) ויקרא י"א: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) כאשר Q הוא קצב העברת החום, U הוא מדד העברת חום הכולל, A הוא אזור העברת חום, ו ⁇ TFLT:0lmveFLT:1 הוא ההבדל הטמפרטורה של לוג-מיין בין תכולת הכור לבין המדיום הקירור. בסולם קטן יותר, A הוא גדול יחסית בהשוואה לנפח V. כאשר הוא עולה מהר יותר מאשר A, כך לשמור על אותו חומר חום / קיבולת (T) עם עלייה בנפח גבוה (או קיבולת) או קיבולת גבוהה (או LT) באמצעות קיבולת גבוהה יותר) עם עלייה של קיבולת (או קיבולת גבוהה יותר) עם קיבולת (או קיבולת גבוהה יותר) עם קיבולת גבוהה יותר, או קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת גבוהה יותר, או קיבולת גבוהה יותר, או LT2 (או קיבולת) עם קיבולת גבוהה יותר, או קיבולת קיבולת קיבולת) עם קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת (ER) עם עלייה של קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת קיבולת קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת גבוהה יותר, כאשר קיבולת גבוהה יותר מאשר קיבולת (TLT2 (או קיבולת) עם קיבולת) עם עלייה) עם עלייה של קיבולת קיבולת קיבולת קיבולת

(ב) תגובות חריפות, כגון פולימריזציה או חמצון, קצב הדור החום לנפח (ראה:0Q03FLT:1genigph:2 / VirFLT 3: 3) עשוי להישאר קבוע בערך (אם שיעור התגובה והריכוז מתקיימים באופן קבוע) השגוי בין דור החום וההסרה יכול להוביל במהירות לריצה תרמית על פי LT4nFinríi) של תקן בטיחותי (מרכז בטיחותי) של טיפול פסיכולוגי (מרכז בטיחותי) הוא צעד נוסף של 6.

אסטרטגיות להורדת חום Scale-Up

ג'קאט ו- Internal Coils

כורים גדולים יותר משלבים לעתים קרובות גם מעיל חיצוני וקווי קירור פנימיים כדי להגדיל את אזור העברת החום. Coils יכול להוסיף 20-50% יותר שטח פני השטח, אבל הם גם להגדיל את האפר נוזל, ועשויים ליצור אזורי מחוסנים אם הם ממוקמים בצורה גרועה.

אופטימיזציה

מהירויות גבוהות יותר של מהירויות שיפור משקל העברת חום הסרט על הצד בתהליך (HoriFLT:0pcioFLT:1) על ידי צמצום שכבת הגבול התרמית, עם זאת, הגדלת מהירות גם מעלה צריכת חשמל (העברה ל-N3) ויכול לגרום ללחץ מכני.כלל בקנה מידה משותף הוא לשמור על קבוע FLT:2power ליחידה (P / V) LT 3, ולא להתאמה מתמדת עם מהירות ומהירות קדחתנית.

שימוש ב-Out Heat Exchangers

עבור כורים גדולים מאוד או עומסי חום גבוהים, מהנדסים עשויים לשאוב את תכולת הכור באמצעות מחליף חום חיצוני ולהחזיר אותו כלי. גישה זו מפרידה בין העברת חום, ומאפשרת לכל אחד להיות מותאם באופן עצמאי.

Fluid Dynamics (CFD)

סימולציות CFD מודרניות יכולות לחזות פרופילי טמפרטורה, מיקומים חמים, ותבניות זרימה בקנה מידה שונים.על ידי מודל הכור עם מספרים ללא ממד (כגון FLT:0Biot NumberFLT:1 עבור מוליכי חום לעומת convection), מהנדסים יכולים לזהות אזורים בעייתיים לפני הבנייה. CFD הוא בעל ערך במיוחד כאשר מרחיבים תגובות עם קינטית רגישות גבוהה מאוד לטמפרטורה:2R.

תוצאות של Scale-Up על Mass Transfer

הגבלות העברה המונית עולות כאשר שיעור התחבורה המגיב לאזור התגובה איטי יותר מאשר קצב התגובה.ב- CSTR, שילוב אידיאלי נחשב, אך בקנה מידה גדול יותר של ערבוב מוחלט הופך להיות קשה יותר ויותר להשיג.התוצאה היא FLT:0 ריכוז ⁇ sFLT:1 שיכול להוביל להיווצרות לוואי, מופחתת, או אפילו deזרז אם תגובה הוא depleed באופן מקומי.

אתגרים להעברת המונים

  • (ב) [17] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (הדגשה:0) ⁇ sFLT:1) ללא הפרעות מספיקות, מגיבים המכורים ליד משטח הנוזל עשויים לא להגיע לאזור התגובה במהירות מספקת, מה שגורם לעומס יתר או מתחת לריכוז.
  • (FLT:0) השפעות של הדגולציה 1FLT - במערכות מרובותphase (גז-ליקוויד או נוזלי-liquid), האזור הבין-גזעי לנפח יורד עם גודל, צמצום שיעור העברת המונים לקליטת גז או מיצוי נוזלי-לחוץ.
  • (FLT:0) תגובות בלתי שלמות FLT:1 - העברה מהירה יחסית לשיעור התגובה יכולה לכפות מהנדסים להוריד את לוח הזמנים (זמן מגורים משוחרר) או לקבל המרה נמוכה יותר, להביס את המטרה של הגדלה.

תפקיד עיצוב האי-ממכר והזדקנות

(ב) , (ה) הוא הכלי העיקרי לשליטה בהעברה המונית בסקאלה קטנה, טורבינת רושטון יחיד או מפיץ להב יכול לספק שילוב הולם.במאזניים גדולים יותר, מספר רב של חומרים על אותו פיר משמשים לעתים קרובות להפיץ אנרגיה לאורך כל הספינה.

כללי ה- Scale-up להעברה המונית משתמשים בדרך כלל באחד משלושת הקריטריונים:

  1. (ב) כרך 1 (P/Vir)FLT) – בשימוש נרחב לשילוב סוער; שומר על פירוק ומיקרואקטיביזציה דומים.
  2. (ב) מהירות טיפ ( ⁇ ND) ⁇ FLT:1) - נפוץ עבור תהליכים רגישים לשנאה או פיזור גזי-ליקוויד.
  3. (ב) מספר ריינולדס (Re)FcioLT:1) - מבטיח דמיון דינמי אך לעתים קרובות מוביל לדרישות כוח לא מעשי בקנה מידה גדול.

(לא) אין קריטריון אחד רלוונטי באופן אוניברסלי, עבור תגובות שבו FLT:0 (מיקסינג 1FIRLT) (התערבות בסולם המולקולרי) שולטות בסלקטיביות, כגון במשקעים או תגובות תחרותיות מהירות, P / V הוא לעתים קרובות מומלץ.עבור תקנות FLT:2macroing FLT 3: 3 (תערובת), משאבה מתמדת למספר עשוי להיות מתאים יותר (F4)

המונחים: Mass Transfer Limitations

מקור: Impeller Geometries

עיצובים מודרניים - כגון FLT:0 חסכוני יעילות הידרופובלית כוח רב-עוצמה (FLT:0) 1 - שיפור קצבי זרימה גבוהים בצריכת חשמל נמוכה יותר בהשוואה טורבינות רושטון מסורתיות.אלה יעילים במיוחד ב- CSTRs גדולים שבהם עלויות האנרגיה משמעותיות. Baffles הם גם חיוניים להמיר זרימה רוטאלית לזרימה צירית, מניעת היווצרות ושילוב אנכי.

הפצה

היכרות עם מגיבים בנקודות מרובות או באמצעות צינור dip להאכיל ליד המפיץ יכול להפחית את ריכוזי ריכוז מקומיים. בכלי גדול, מספר אנזימים להאכיל מסודרים סביב היקפי או לאורך גובה הכור עוזר להפיץ מגיבים אפילו.

טכניקות מיקסינג מתקדמות

(ב) תגובות הדורשות שילוב מהיר מאוד, ערבוב סטטיים קולין לפני הבקתה יכול להיות מגיבים טרום תערובת לפני שהם נכנסים כלי השיט.זה מקטין את הצעד התערובת מנפח הכור, צמצום הנטל על מערכת סייטרציה CSTRion. גישה נוספת היא השימוש של מחסנים:0oscillatory baffledated כורים (BRs) LTF או 1FRE:2T) אשר מציעים פחות מזחלות (R) אבל יותר טוב יותר טוב יותר (F) אבל

אסטרטגיות משולבות עבור Scalable CSTR Design

בהצלחה דרוג CSTR דורש גישה הוליסטית אשר רואה חום ועברה המונית בו זמנית, יחד עם קינטיקה תגובה ונכסים נוזליים.מתודולוגיה שיטתית כוללת את השלבים הבאים:

1.הנהגו על ידי Kinetic and Transport Studies

לפני הסקאלה, לאפיין את הקינטיקה התגובה (כולל חום התגובה) ולהחליט את הצעד המגביל את קצב - בין אם מדובר בתגובה, העברה חום או העברה המונית. השתמש בניסויים בקנה מידה טייס למדידת זמני, טיפול בחום, פרופילי טמפרטורה.FLT:0 הניתוח של סיכון הסתברותי 1 (למשל, באמצעות cabaticlor) הוא חיוני לתגובות חיצוניות.

2. Apply Dimensionless Analysis and similarity קריטריה

(ה) לזהות את הקבוצות חסרות הממדים הרלוונטיים לתהליך העברת החום: מספר נוסלט, מספר הביוט, ופרמטר דור חום (למשל, ה-FLT:0Stan מספר OVAFLT:1 או מספר דינמי משתנה לחום) עבור העברה המונית (מספר שמידט) מספר שרוף (Sc), מספר Shwood (ש), ואת הזמן התערובת היחסי לאותה תגובה (ראה 3:2F) הוא שמירה על פני קבוצות קבועות (DVal)

השתמש ב- Computational Fluid Dynamics (CFD) כמעבדה וירטואלית

CFD מאפשר למהנדסים לבחון תרחישים בקנה מידה רב ללא בניית אבטיפוס פיזי.תוכנות מודרניות יכולות לדמות זרמי חד-phase ורב-phase, העברת חום ותגובה כימית עם דיוק סביר.אימות נגד נתוני הטייס נשאר קריטי, אבל CFD מפחית באופן משמעותי את הסיכון לבעיות בלתי צפויות בקנה מידה תעשייתי.

עיצוב גמישות ובטיחות

כורים גדולים יותר יש אינרציה גדולה יותר, כלומר, ברגע שמתחילה טיול טמפרטורה, קשה יותר לתקן. להתקין חיישנים טמפרטורה מרובים בגבהים שונים, לולאות קירור מחוסמות, והפסקת חירום סגורה בין המלכודות.המכון האמריקאי למהנדסים כימיים (AIChE)FLT:1 מספק הנחיות עיצוב עבור תהליכים בטוחים יותר כי מדגישים את מלאי חומרים מסוכנים ושליטה בתנאי ארטילריה:

5.לקבוע עם מפעל טייס

גם עם מודלים מתקדמים, הפגנת פיילוט היא הצעד האמין ביותר לפני בנייה בקנה מידה מלא. צמח טייס כי הוא דומה גיאומטרי למתקן התעשייתי המיועד - ופועל בתנאים דומים ללא ממד - מספק אמון בתחזיות בקנה מידה.זה גם מאפשר למפעילים להתאמן ולפתור בעיות לפני ביצוע פרויקט תגמול הון.

מסקנה

גודל של מגיבים מוליכים רציף Stirred מהשפעות עמוקות הן חום והן העברה המונית, מאתגר את ההנחה של התנהגות אידיאלית הטנטיבית כורים קטנים יותר.הירידה במגבלה על פני השטח-לכולה של הסרת חום, בעוד המהנדסים התערובת מוגברת של זמן וירידה של טווח הגבלת שטח אזורי ניתוח מתאים.