מדוע משטר זרימה משנה בכימיקלים

בהנדסה כימית, טבע זרימת הנוזל בתוך כור הוא גורם מכריע השולט קינטיקה התגובה, חום ועברה המונית, ערבוב יעילות, ובסופו של דבר התשואות והטוהר של המוצר הסופי - מכל תגובה - מהייצור בקנה מידה גדול של יונקים ועד לסנזה המדויקת של תרופות ביניים - מתפתח בתוך סביבה זרימה מסוימת.

Defining Laminar Flow

זרימת Laminar היא משטר זרימה מאופיין על ידי שכבות חלק, מקבילים של נוזל נע בכיוון מסודר.ב זרם laminar, חלקיקים נוזל לעקוב אחר מסלולים נפרדים, צפוי, ושכבות סמוכים להחליק זה את זה ללא שינוי מסה או מומנטום על פני השכבה מול הגבולות.התנהגות זו אנלוגיה לסיפון של קלפים מדחף על פני שולחן - כל כרטיס מייצג שכבה נוזלי, והם עוברים יחסית אחד ללא זרם נמוך או קצר תמיד נתקלומטר (reic) הוא קצר מאוד, הוא קצר יותר, הוא קצר זרם כמעט, הוא כהה, הוא קצר, הוא כמעט, הוא כמעט, 000, הוא כמעט, 000, 000, הוא קצר, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא נתקלוריד, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא כהה, 000 הוא כהה, 000 הוא כמעט, 000 הוא כהה, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא קצר, 000 הוא כהה, 000 הוא קצר, 000 הוא כמעט, 000 הוא קצר, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא כמעט, 000 הוא קצר, 000 הוא נתקלוריד, 000 הוא נתקל, 000 הוא קצר, 000 הוא כמעט, 000 הוא נתקלוריד, 000 הוא קצר, 000

דמויות מפתח של Laminar Flow

  • (FLT:0) פרופיל מהירות מהיר: 1.FLT:1 החלוקה המהירות היא צורה פרבולית (בצנרת) עם מהירות מקסימלית במרכז ואפס על הקיר.
  • (FLT:0) ,Negligible קורנל ערבוב: ⁇ FLT:1 ,התחבורה של מסה או חום בין שכבות מתרחשת בעיקר על ידי דיפוזיה מולקולרית, לא על ידי הדבקה גדולה.זה יכול להוביל ריכוז וטמפרטורות ⁇ על פני השטח הכור.
  • ירידה בלחץ החיכוך: FLT:1 כי האנרגיה אינה מופרכת על ידי אדיים סוערים, הירידה בלחץ לאורך הכור היא נמוכה יחסית, אשר יכול להפחית עלויות המשאבה.
  • (FLT:0) חיזוי גבוה: 1) ניתן לדגום את הזרם באמצעות משוואות Navier-Stokes, מה שהופך את laminar זרימה אידיאלית לתהליכים שבהם נדרשת שליטה הדוקה על תנאי התגובה.
  • מספר 1 (FLT:0) , 000 ⁇ מספר: 1 Re < 2000, אם כי המעבר המדויק תלוי בגיאומטריה ובתנאי כניסה.

תגיות קשורות Laminar Reactors

זרימת Laminar היא מועסקת במכוון ביישומים שבהם בקרת זמן מגורים מדויקת ומינימום של ריבור אחורי הם חיוניים. מיקרולוגיים ופלטפורמות כימיה זרימה בקנה מידה קטן פועלים לעתים קרובות במשטר laminar כי מימדי הערוץ הקטנים לשמור על ר נמוך אפילו בקצב זרימה מתון. בייצור תרופות, לזרח זרמי זרימה laminar מאפשרת ייצור של ערכים גבוהים עם התפלגות זמן מגורים צר, צמצום תגובות צדדיות ושיפור התשואות באופן דומה, פתרונות פולימרניים.

המונחים: Turbulent Flow

זרימה טורקטית היא המקבילה הכאוטית של תנועה laminar.במשטר זה, חבילות נוזל לנוע דפוס לא סדיר, מתפתל, כל הזמן החלפת מומנטום ומסה באמצעות אדיות של גדלים שונים.המהירות בכל נקודה משתנה באופן אקראי לאורך זמן, אבל זמן-averated כמויות ניתן לתאר באופן סטטיסטי.

דמויות מפתח של Turbulent Flow

  • (FLT:0) Intense ערבוב: FLT:1 Turbulent eddies במהירות לשבור ריכוז וטמפרטורת ⁇ s, המוביל לתנאי קרוב חד-ממדיים על פני השטח של הכור.זה משפר באופן דרסטי את שיעור העברת המונים חום בהשוואה לזרימה laminar.
  • (FLT:0) פרופיל מהירות מהירות מהירות: FLT:1; המהירות המקוצרת של הזמן היא כמעט קבועה על פני הליבה המרכזית, עם ירידה חדה רק בתוך תת-קרקעית הדקה ליד הקיר.
  • (FLT:0) ירידה בלחץ גבוה: 1FLT:1, הניתוק של אנרגיה קינטית סוערת לתוך חום מגביר את ההפסדים החיכוך, הדורש יותר כוח שואבי צינורות גדולים יותר או משאבות גבוהות יותר.
  • (FLT:0)Complex Modeling: FLT:1 למרות הזרם המיידי הוא כאוטי, מהנדסים מסתמכים על מודלים סוערים (למשל, k ⁇ , k ⁇ , או ריינולדס מודלים) בתוך דינמיקת נוזל חישובית (CFD) כדי לחזות ביצועים כור.
  • מספר ה-FLT:0 ,Re > 4000 עבור זרם צינורות קדחתני מפותח לחלוטין, עם אזור מעבר בין 2000 ל-4000.

תעשיות למינוף של Turbulent Flow

זרימה שוטפת היא העבודה של ייצור כימי בקנה מידה גדול.ב כורים מעוררים tank מתמשך (CSTRs), זעזוע אינטנסיבי שנוצר על ידי המפיץ מבטיח תערובת מהירה ומדים. כורים ב- in tubular עבור כימיקלים גדולים (למשל, סדקים אדנילן משופר, phthalic ahydride synthesis), זעזועים מקדם חימום גבוה כי לעתים קרובות לחץ דם חום פתור תאים דלקתיים ולהפחית את החמצן.

משטר מספר ריינולדס וחילוץ

מספר הרינולדס הממד (Re) הוא הקריטריון הממבדיל בין laminar לבין זרימה סוערת.עבור צינור או צינור, Re = ( ⁇ × u × D) / μ, שבו ⁇ הוא צפיפות נוזל, u הוא מהירות ממוצעת, D הוא קוטר צינור, ו μ הוא דינמי נטייה.המשמעות הפיזית היא היחס של כוחות אינרטיים לכוחות מולקווס (Ricus) כאשר כוחות לחות גבוהים), כאשר הם כוחות (retrastrasivesivesivesivesive) ו-retial (recereceretance) ו-recereceretretretretretretretrasive to Flowing) ו-re (re (retrasivesivesivestostrance) (retretial) הוא גורם) (retretretretretance) (retial) ו-retial (retrasivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesivesives

בסביבה הקרובה של Critical Reynolds Number and Transition Zone

בצנרת מעגלית ישירה עם כניסה מפותחת לחלוטין, המעבר מ laminar לזרימה סוערת מתרחש בדרך כלל ב- Re ⁇ 2300 (לעתים קרובות צויין כ 2000-4000) עם זאת, ערך זה יכול להשתנות באופן משמעותי בהתאם לגיאומטריה, גסות פני השטח, והפרעות במעלה הזרם.ב-5000 דונם), מיטות ארוזות, או כורים עם bends ופנים, קריטי יכול להיות גם כן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כמו כן, כדי לפעול באופן ברור, או לא צפוי, בתוך אזור לא צפוי (Retraentit) לתוך אזור זה יכול להיות פעיל (Retrat) לתוך רטי) לתוך רטי) או רטי) לתוך רטי (Retrat in a Un-resentertirtirt in an Un-resentercular ductcular ductst 2000).

תפקידם של תכונות פלויד ותנאי הפעלה

בעוד מהירות וקוטר הם מגוונים בקלות, צמיגי נוזל יש השפעה חזקה ביותר. עבור נוזלים בעלי עוצמה גבוהה (למשל, פולימר נמס, שמנים כבדים), זרימת laminar כמעט בלתי נמנעת על שערי זרימה מעשית. versely, נוזלים בעלי רגישות נמוכה כמו מים או גזים במהירות גבוהה הם כמעט תמיד סוער.

תגובות ל Reactor Design

מיקס ו-Mass transfer

בזרימת laminar, ערבוב מסתמך במידה רבה על דיפוזיה מולקולרית, אשר איטי.זה יכול לגרום ריכוז ⁇ המשפיעים על שיעורי התגובה, במיוחד עבור תגובות מהירות.מהנדסים משתמשים לעתים קרובות במיקסרים סטטיים או נקודות להאכיל מרובות כדי לשפר את ערבוב הרדיואקטיבי, אבל עוצמת התערובת הכוללת נותרה הרבה יותר נמוכה מאשר בהפרעות חמורות. in זעזועים, eddies תחבורה המונית על פני סדר גודל מהיר יותר, כלומר תגובה מהירה יותר, ניתן להתגבר על פני גז מהיר יותר, כי הוא תגובה מהירה יותר.

העברה חמה

משככי חום בזרימה סוערת הם בדרך כלל 10-100 פעמים גדול יותר מאשר בזרימה laminar בתנאים דומים.זה קריטי לתגובות אקסותרמית או אנדרמימיות מאוד. כור זרימה laminar יכול לפתח כתמים חמים או בורח תרמי אם הסרת חום הוא לא מספיק, בעוד כור טורח יכול להעביר ביעילות חום למעיל או סלילים פנימיים.

לחץ טיפת

ירידה בלחץ היא פונקציה ישירה של גורם החיכוך.עבור זרימת laminar, גורם חיכוך Darcy f = 64 / Re, בעוד עבור זרימה סוערת, f הוא בערך קבוע (בהתאם לחוספס) וטווחים מ 0.01 עד 0.05 עבור צינורות חלק.למרות ירידה הלחץ המוחלט בזרימה לליטר נמוך יותר ב- Reminar, מהנדסים לעתים קרובות חייבים להגדיל את הצינור או צינורות מרובים במנהרה נמוכה יותר (reperca) כדי ירידה משמעותית של חלבית לחץ נמוך יותר (reicreic) ו- Repressing) בין היתר, ירידה נמוכה יותר.

התפלגות זמן (RTD)

RTD - מדד של כמה אלמנטים נוזליים ארוכים נשארים בתוך הכור - משתנה באופן דרסטי בין משטרים.לנדר זורם בתוך צינור מייצרת RTD רחב כי פרופיל מהירות הטבולית פירושו נוזל במרכז היציאה הרבה יותר מהר מאשר נוזל ליד הקירות.זה RTD רחב יכול להפחית את ההמרה עבור תגובה מסדר ראשון והוא בעייתי במיוחד עבור תגובות רצופים שבו RTD הוא זרם טרמפנטי, עם פרופיל רחב זה הוא מאוד, מהירות גבוהה יותר, מתווה RTD.

מענה לסוגיות ובחירת משטר זרימה

Plug Flow Reactors (PFRs) ו- Tubular Reactors

PFRs נועדו לעתים קרובות לפעול בזרימה סוערת כדי לגשת התנהגות זרימה אידיאלית של תקע (ללא שילוב צירי, קומפוזיציה הומוגנית רדיואקטיבית) עם זאת, עבור בקנה מידה קטן או גבוה יישומים, laminar PFRs הם בלתי נמנעים. in laminar PFRs, פיזור צירי ו ⁇ s רדיואקטיביים חייב להיות אחראי על ידי מודלים באמצעות פיזור או CFmin (מפרק) כמעט פעיל) אבל כמעט סטנדרטיים (מפרק) שלהם, אבל כמעט סטנדרטיים) אבל הם תמיד לפעול מיקרו-מפרק יעיל יותר, אבל כמעט סטנדרטיים).

תגובה רציפה Stirred-Tank Reactors (CSTRs)

CSTRs מסתמכים על ריגוש מכני כדי ליצור זעזועים.עיצוב המופרך (Rushton טורבינות, להב מודבק וכו ') קובע את האנרגיה הקינטית המטרידה המקומית ומיקסינג זמן. A מתוכנן היטב CSTR פועל עם שדה זרימה סוער המבטיח כי הרכב אחיד וטמפרטורה לאורך כל הטנק.עבור חומרים מאוד מולקווס, laminar (למשל, הוא דורש פחות נפוץ אזורי עיצוב) אבל הם פחות נפוץ.

גבעה: Bed Reactors

במיטתם המלאה, זרימת החללים הבין-אישית יכולה להיות לליטר, מעבר, או זעזועים בהתאם לגודל החלקיקים ולקצב זרימת הדם.מספר ריינולדס מבוסס על קוטר חלקיקים (ReventFLT:0reaFLT:1) משמש; RerealFLT:2pLT 3 < 10 מציין lamin (Darcy) 10-100al מעבר ו- משוואה יעילה ל- 100 גרם).

אתגרים

אחת המשימות הקשות ביותר בהנדסה כימית היא דרוג כור ממעבדה ועד להיקף הייצור, תוך שמירה על אותו משטר שינוי וביצועים.דמיון גיאומטרי אינו מבטיח דמיון דינמי.לדוגמה, כור בקנה מידה מעבדה הפועל בזרימת לליטר יהיה בדרך כלל רזולוציית זרם נמוכה יותר מאשר המקבילה התעשייתית הגדולה שלו, אלא אם כן המהירות מופחתת באופן דרסטי (שלא ניתן לגרוע), פעילות גדולה עלולה להפוך לקצבה נמוכה יותר של מספר מהירויות של דלקתיות (Dupr) בעוד מספר נמוך יותר, בעוד שעדיין לא סדירות, בעוד מספר מהירויות נמוכות יותר, בעוד שכמות גבוהה של תאים נמוכות יותר, בעוד שכמות גבוהה של תאים).

Fluid Dynamics בעיצוב המשטר

עיצוב הכור המודרני מסתמך רבות על סימולציות CFD כדי לדמיין שדות מהירות, התפלגות טמפרטורה, פרופילי ריכוז. CFD יכול להתמודד עם ג'ממטים מורכבים, שלבים מרובים, ו rheology לא-Newtonian, המציע תובנות כי משוואות אנליטיות פשוטות לא יכול.עבור זרימת תאים פנימיים לוכדים, סימולציה ראשונית (DNS) הוא סביר עבור תחומים קטנים, אבל עבור מודלים קדחתניים, הם הכרחיים עבור מודלים של תאים פנימיים, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, ללא תופעות לוואי סבירים (Dolactricial) עם מודלים (Dolactericial) עם מודלים).

מסקנה

ההבחנה בין laminar ו- שטף סוער אינה רק אקדמית; היא מעצבת ישירות את הביצועים, הבטיחות והכלכלה של כורים כימיים.Laminar זרימה מציעה חיזוי וירידה בלחץ נמוך, אלא סובלת מהתפלגות זמן מגורים גרועה ורחבה, מה שהופך אותו מתאים לערכים כימיים גבוהים, תגובה מבוקרת כגון בצומת תרופות.