Трассёра метод

ТРАССЁРА МЕТОД, метод изучения закономерностей явлений переноса (см. Переноса процессы) в хим.-технол. процессах с помощью примесей к.-л. в-в, наз. трассёрами, к-рые вводят на вход или в рабочий объем аппаратов. Применение Т. м. при анализе процессов и разработке аппаратуры для их проведения позволяет выявить влияние ее масштабов (см. Масштабный переход) и инженерного оформления на макроперемешивание материальных потоков, устанавливать модели их движения, оценивать и использовать в послед. расчетах процессов параметры этих моделей (см. также Структура потоков).

Трассёрами (их наз. также индикаторами или метками) служат жидкие либо твердые в-ва, содержащие небольшие кол-ва красителей, солей, радиоактивные препараты и др., присутствие к-рых легко определяется физ. или хим. методами анализа. Применяют также т. наз. температурные метки-нагретые газы, жидкости, твердые частицы. При исследованиях движения газов к осн. потоку, напр. воздуху, добавляют Не, Аr, СО₂, частицы аэрозоля (дым).

Способы постановки экспериментов с применением Т. м. определяются их задачей и особенностями исследуемого объекта (в случае проточных систем источник трассёра м. б. нестационарным или стационарным, в случае непроточных -всегда нестационарным). Ниже рассмотрены наиб. распространенные способы.

1) В поток, поступающий в проточный аппарат, вводят (импульсами, ступенчато и др.) трассёр, начальная концентрация к-рого с₀ изменяется во времени [с₀(t)]; регистрируют концентрации с трассёра в разл. точках внутри аппарата и на выходе из него [с(t)]. Зависимости с₀(t) часто наз. концентрационными возмущениями на входе в аппарат, а зависимости с(t)-кривыми отклика на эти возмущения. Примеры кривых отклика на ступенчатые изменения концентрации трассёра на входе в аппарат (т. наз. кривые вымывания) показаны на рис. 1 (см. также Псевдоожижение).

Рис. 1. Кривые отклика в различных точках по высоте аппарата с неподвижным зернистым слоем (здесь и далее номера кривых возрастают по мере увеличения расстояния от места ввода трассёра).

С помощью кривых отклика находят ф-ции распределения x(т) элементов потока по временам пребывания и возрастам, используя ур-ние c(t) = тc₀(t — т)x(т)dт [пределы интегрирования определяются областью существования с(t)], где т-возраст, или время, прошедшее для элемента потока, к-рый находился в аппарате с момента входа в него; x(т)dт-доля элементов потока, время пребывания (возраст) к-рых находится в интервале т, т + dт. Ф-ции распределения применяют при расчетах хим.-технол. процессов. Так, если в аппарате периодич. действия происходит р-ция первого порядка и во всех точках реакц. объема условия процесса одинаковы, то, зная зависимость концентрации к.-л. реагента от времени [с_р(t)], можно найти концентрации этого реагента в аппарате непрерывного действия:

Для процессов переработки дискретных частиц (обжиг, сушка и др.) с помощью ф-ций распределения x(т) находят ф-ции распределения частиц по св-вам (состояниям). При этом исходят из условия: доля элементов потока, св-во (состояние) к-рых изменилось от и₀ до u, равна доле элементов потока, время пребывания (возраст) к-рых равно времени, необходимому для перехода от состояния и₀ до и.

Данный способ принято наз. способом ф-ций отклика или способом респонстехники (в англоязычной литературе часто используют термин "RTD technique", или "Residence Time Distribution Technique").

2) Трассёр вводят стационарно в нек-рую точку внутри аппарата или распределяют равномерно по его сечению. Концентрацию трассёра измеряют в разных точках по сечению и высоте аппарата. На рис. 2, а приведена зависимость с от продольной координаты l в области аппарата, расположенной ниже источника трассёра (кривая продольного, или обратного, перемешивания). Рис. 2, б иллюстрирует радиальный профиль концентрации трассёра при его точечном источнике (кривая радиального перемешивания). Данным способом, наз. способом стационарного источника, изучают продольный и поперечный перенос массы в аппаратах. Напр., если устройство для ввода одного из реагентов в аппарат находится на нек-ром расстоянии от устройства, в к-рое подается др. реагент, удается выявить, где оба реагента взаимодействуют и в каких соотношениях. При необходимости установления модели структуры потоков и определения ее параметров способ стационарного источника целесообразно сочетать со способом респонстехники. Так, применительно к колонному аппарату правомерно выбрать двухпараметрич. диффузионную модель, если она хорошо описывает эксперим. кривые отклика, а также кривые радиального и обратного перемешивания.

Рис. 2. Кривые продольного (а)и радиального (б) перемешивания газа в псевдо-ожиженном слое.

3) Если система непроточна (обычно периодич. действия), трассёр вводят импульсно, как правило, за малый промежуток времени в конкретную точку или область аппарата (радиусом R) и регистрируют кривые отклика (рис. 3) в разл. точках по его объему. По истечении времени, к-рое наз. характерным временем перемешивания т_x, текущие концентрации трассёра становятся равными его средней концентрациипо объему системы. Этот способ, наз. способом локальной респонстехники в непроточных системах, используют при изучении перемешивания на макроуровне в аппаратах с мешалками, барботажных, с псевдо-ожиженным слоем, вращающихся барабанах и т.д. Если среднее время пребывания элементов потокаспособ применим также и к проточным системам.

Использование Т. м. значительно удешевляет разработку процессов и аппаратов хим. технологии, поскольку исследования обычно проводят на модельных ("холодных") аппаратах с инертными средами.

Рис. 3. Кривые отклика на импульсный ввод трассёра в аппарат с мешалкой.

Лит.: Левеншпиль О., Инженерное оформление химических процессов, пер. с англ., М., 1969; Гельперин Н.И., Пебалк В. Л., Костанян А.Е., Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности, М., 1977; Расчеты аппаратов кипящего слоя, Л., 1986; Ой-генблик А. А. [и др.], "Теоретич. основы хим. технологии", 1987, т. 21, № 6, с. 795-800. А. А. Ойгенблик.