BADANIA DYNAMIKI OBIEKTÓW g Jacek Palige jg Instytut Chemii i Techniki Jądrowej, 03-195 Warszawa, ul. Dorodna 16 ^ = go o Dziedziną nauki i praktyki zajmującą się systemami i procesami, w których i materia podlega transfomacji ze względu na stan, skład i własności jest inżynierie : chemiczna i procesowa. Celem tej dziedziny działalności jest stworzenie, na podstawie doświadczeń i analizy teoretycznej, ilościowego opisu procesu, w którym zachodzi transformacja materii. Działania te stanowią podstawę projektowania, eksploatacji ruchowej, optymalizacji i automatycznego sterowania instalacjami przepływowymi w chemii, metalurgii, przetwórstwie materiałów, ochronie środowiska i innych dziedzinach działalności człowieka [1]. W dziedzinie zainteresowań inżynierii chemicznej i procesowej znajdują się więc również badania procesów i aparatów wytwórczych. W praktyce badawczej i przemysłowej mamy do czynienia z procesami jedno lub wielofazowymi z reakcją chemiczną lub bez. W procesach może zachodzić również wymiana masy. Aparaty wytwórcze dzielą się na wysokotemperaturowe (piece metalurgiczne, piece szklarskie), wysokociśnieniowe (autoklawy, reaktory chemiczne) i rozdzielcze (ekstraktory, kolumny destylacyjne itp.), przy czym z punktu widzenia doprowadzania i odprowadzania materiałów (surowce, produkty) mogą to być aparaty jedno- lub wielowejściowe oraz jedno- lub wielowyjściowe. Optymalizacja procesów oraz opracowanie systemu kontroli i sterowania wymaga znajomości parametrów opisujących procesy fizyczne i chemiczne zachodzące w urządzeniach wytwórczych. Jedną z podstawowych charakterystyk opisujących proces jest funkcja rozkładu czasów przebywania E(t) materiału w aparacie [2]. Funkcja ta opisuje prawdopodobieństwo, z którym materiał wchodzący do układu w chwili t=0 opuszcza go w przedziale czasu (t, t+dt). Jedną z metod pozwalających na doświadczalne wyznaczanie funkcji E(9t) jest metoda radioznacznikowa polegająca na tym, że do badanego układu w chwili t=0 podaje się impulsowo znacznik promieniotwórczy, a następnie za pomocą detektorów promieniowania jonizującego określa się przestrzenny i czasowy rozkład stężenia znacznika w objętości aparatu w funkcji czasu. Pomiar przeprowadzony na wyjściu urządzenia bezpośrednio wyznacza funkcję E(t). Metoda radioznacznikowa znalazła tutaj szerokie zastosowanie ze względu na fakt, że pomiar zmian stężenia znacznika w wybranych punktach pomiarowych może być wykonany bezpośrednio, bez pobierania próbek materiału i prowadzenia czasochłonnych i pracochłonnych analiz chemicznych. Znaczniki pozwalają na selektywne znakowanie poszczególnych związków chemicznych lub faz (gazowej, ciekłej, stałej) i dalsze śledzenie ich ruchu we wnętrzu aparatów. W przypadku wykorzystania znaczników promieniotwórczych emitujących wysokoenergetyczne promieniowanie gamma pomiar może być prowadzony również poprzez ścianki urządzeń, co pozwala realizować badania aparatów zamkniętych, trudno dostępnych, z substancjami toksycznymi lub agresywnymi chemicznie. 23
Doświadczalne wyznaczenie funkcji E(t) pozwala, drogą analizy matematycznej jej kształtu oraz jej parametrów statystycznych, na wyznaczenie: - średniego czasu przebywania materiału w urządzeniu, - prędkości przepływu, - struktury przepływu, - charakteru procesów mieszania materiału zachodzących w reaktorze, - występowania w aparacie stref stagnacji przepływu i ich udziału objętościowego, - występowania niekorzystnego zjawiska przerzutu materiału bezpośrednio z wyjścia reaktora na jego wyjście. Metody radioznacznikowe z powodzeniem stosowane są do badania procesów i aparatów od blisko 40 lat. Długoletnia praktyka doprowadziła do opracowania standardowych procedur doboru znaczników (pod względem właściwości fizycznych, chemicznych i jądrowych), urządzeń dozujących oraz metod rejestracji i przetwarzania danych pomiarowych. Opracowano też wielopunktowe układy pomiarowe (bazujące na licznikach G-M lub sondach scyntylacyjnych) z rejestracją danych w pamięci komputera. Systemy przetwarzania danych - sygnałów wyjściowych poszczególnych detektorów oparte są na metodach opracowanych dla potrzeb automatyki i sterowania procesami. Krzywe wyjściowe podlegają standardowej obróbce polegającej na: - eliminacji błędów pomiarowych, - odjęciu tła, - filtracji i gładzeniu krzywych, - ekstrapolacji i interpolacji danych, - normalizacji krzywych, - obliczeniu momentów statystycznych (pierwszego, drugiego i trzeciego rzędu) przetworzonych krzywych wyjściowych. Wykorzystywane są również procedury specjalne, specyficzne dla znaczników promieniotwórczych, np. uwzględnienie naturalnego rozpadu znacznika promieniotwórczego bądź osłabienia natężenia promieniowania w próbkach materiałów lub ściankach urządzeń, w celu przeliczenia rejestrowanych sygnałów na warunki standardowe. W przypadku występowania w badanym procesie wewnętrznej lub zewnętrznej recyrkulacji materiałów - tym samym znacznika - wyznaczenie funkcji E(t) wymaga rozwiązania równania całkowego: Y(t) = (1 - x)e(t) + x \l Y(u)E(t - u)du gdzie: Y(t) - zarejestrowany sygnał wyjściowy, E(t) - poszukiwana funkcja rozkładu czasów przebywania, x - stopień recyrkulacji materiału (znacznika). Równanie to rozwiązywane jest zazwyczaj numerycznie metodą algebraiczną bądź z wykorzystaniem szybkiego przekształcenia Fouriera (FFT). Zostały opracowane specjalne procedury numeryczne obliczania całek splotu, dekonwolucji itp. dla różnych warunków realizacji procesów przemysłowych (występowanie opóźnień czasowych, szeregowo lub równoległego połączenia urządzeń itp.). W efekcie końcowym przeprowadzonych pomiarów i zastosowanych procedur przetwarzania sygnałów otrzymujemy doświadczalną funkcję E(t) badanego procesu lub urządzenia. 24
Kolejnym istotnym zagadnieniem jest uzyskanie na podstawie wyznaczonej funkcji E(t) informacji odnośnie procesów fizycznych i chemicznych zachodzących w badanym aparacie lub urządzeniu. Zagadnienie to ściśle związane jest z identyfikacją i optymalizacją procesów. Na podstawie wiedzy teoretycznej i doświadczalnej o badanym procesie opracowywane są, zazwyczaj wieloparametrowe modele matematyczne procesu, które następnie porównywane są z danymi doświadczalnymi. Sygnał wyjściowy modelu porównywany jest z doświadczalną krzywą E(t). Standardowe procedury optymalizacyjne - Hooka-Jeveesa, sympleksu, Marquardta i inne - pozwalają na wybór modelu najlepiej opisującego proces i optymalizacje parametrów modelu. Opracowane są biblioteki modeli stosowanych w inżynierii chemicznej i procesowej do opisu procesów (kaskady mieszalników idealnych, przepływy z dyspersją poosiową, układy połączone szeregowo lub równolegle z występującą wymianą masy, przepływem zwrotnym, recyrkulacją itp.) oraz programy numeryczne optymalizacji parametrów modeli [3]. W latach 1970-1980 prowadzono szeroko zakrojone badania radioznacznikowe pieców szklarskich różnej konstrukcji i objętości. Pojemności pieców wahały się od 30 do 1500 ton wsadu przy temperaturze pracy rzędu 1400-1500 C. Znacznikiem wsadu jest zazwyczaj aktywowany w reaktorze jądrowym tlenek lantanu La 2 O 3 (izotop La-140 o okresie połowicznego rozpadu Tv2=40,2 godziny). Określono charakterystyki badanych pieców, które w połączeniu z badaniami modelowymi oraz obserwacjami technologicznymi pozwoliły na ocenę prawidłowości ich pracy. Określono eksperymentalnie średnie czasy przebywania T s oraz teoretyczny czas przebywania T=V/q gdzie: V - objętość pieca [m 3 ], q - natężenie przepływu [m 3 /godz.]. Z zależności d = 1-T/T wyznaczono udział objętości pieca ze stagnacją przepływu (tzw. przestrzeń martwa). Modelując krzywe doświadczalne E(t) wyznaczono stałe czasowe opisujące podstawowe prądy cyrkulacyjne masy szklarskiej w piecu. Wyniki badań w większości przypadków pozwoliły na modyfikację technologii w celu polepszenia jakości produkowanego szkła. W kilku przypadkach, w oparciu o uzyskane wyniki, podjęto decyzje o zatrzymaniu agregatów i całkowitej ich przebudowie. W latach osiemdziesiątych w ramach programu rządowego wprowadzano w Polsce nową technologię produkcji miedzi - tzw. proces zawiesinowy. W ramach badań związanych z wdrożeniem technologii z wykorzystującej metodę radioznacznikową prowadzono badania procesów przygotowania rud (flotacja, mielenie, segregacja), przebiegu reakcji chemicznych zachodzących w piecu zawiesinowym oraz procesów odmiedziowania żużli w piecach elektrycznych. Piec zawiesinowy, w którym prowadzony jest proces otrzymywania miedzi z koncentratu miedziowego, jest to agregat wielofazowy (gaz-wzbogacone w tlen powietrze, ciecz-ciekły żużel, ciało stałe-cząstki koncentratu). Zachodzą w nim w temperatu- 25
rze około 1500-2000 C skomplikowane reakcje chemiczne otrzymywania miedzi. Przerób koncentratu w piecu wynosi około 60 Mg/h. Metodą radioznacznikową określono rozkład czasów przebywania cząstek koncentratu miedziowego w szybie pieca oraz średni czas przebywania który wynosił T s -6 s. Na podstawie bilansu radioaktywnej miedzi wprowadzonej do procesu (izotop Cu-64, T 1/2 =12,8 godziny) określono udział poszczególnych reakcji chemicznych powstawania metalicznej miedzi w procesie [4]. Równolegle prowadzono pomiary kinetyki odmiedziowania żużla zawiesinowego w piecu elektrycznym o pojemności ok. 500 ton przy różnych parametrach technologicznych prowadzenia procesu (dodatki kamienia wapiennego, moc mieszania, temperatura itp.). Uzyskane wyniki wykorzystane zostały do opracowania technologicznych instrukcji procesu który realizowany jest w Hucie Miedzi Głogów II. Podobny cykl badań przeprowadzono w latach siedemdziesiątych w metalurgii cynku i ołowiu. Określono parametry ruchu wsadu w obrotowych piecach przewałowych do produkcji koncentratów oraz w piecach szybowych ISP do jednoczesnej produkcji cynku i ołowiu. Powszechne zastosowanie metoda radioznacznikową znajduje w przemyśle chemicznym do badania reaktorów chemicznych. Projektowanie reaktorów i ich eksploatacja wymaga wiedzy odnośnie struktury przepływu materiałów, czasu kontaktu faz itp. Szczególnie w reaktorach eksploatowanych, w przypadku występowania trudności ruchowych (niska jakość produktu, niska wydajność lub inne kłopoty związane z eksploatacją), koniecznym staje się przeprowadzenie diagnostyki reaktora w celu określenia przyczyn występowania niekorzystnych zjawisk (tzw. trouble shooting). Z wykorzystaniem różnych radioznaczników w formie stałej, ciekłej lub gazowej prowadzono diagnostykę takich urządzeń przemysłowych jak krystalizatory ciągłe, kalcynatory, kolumny destylacyjne, reaktory krakingu katalitycznego, warniki celulozy, ciągłe nitratory celulozy, reaktory utleniania cykloheksanu [5], ekstraktory i inne. Metoda znaczników promieniotwórczych często wykorzystywana jest do badania kinetyki procesów mieszania oraz wyznaczania stopnia jednorodności mieszanin. Podstawową jej zaletą jest możliwość oceny jednorodności mieszaniny poprzez pomiar rozkładu stężenia znacznika z zewnątrz mieszalnika. Dodatkowo jest określana zmiana w czasie stężenia znacznika w wybranych punktach urządzenia np. na wyjściu. Metoda znalazła również zastosowanie w badaniach procesów segregacji mieszaniu ziarnistych w młynach kulowych lub innych urządzeniach rozdrabniających. W ostatnich latach metody radioznacznikowe i znacznikowe z powodzeniem są stosowane w badaniach urządzeń i ciągów technologicznych oczyszczania ścieków. Wykorzystując znaczniki promieniotwórcze do znakowania osadów ściekowych oraz znaczniki fluorescencyjne (Fluoresceina, Rodamina-B) do znakowania cieczy prowadzono kompleksowe badania poszczególnych węzłów ciągu technologicznego oczyszczalni ścieków - uśredniaczy, komór biologicznych, osadników wstępnych i końcowych. Uzyskano obraz przepływu fazy ciekłej i osadu, rozmieszczenie stref zalegania osadu czynnego, i stref sedymentacji osadu oraz udziały objętości martwych urządzeń. Równoczesne prowadzenie badań znacznikowych i konwencjonalnych pomiarów chemicznego zapotrzebowania tlenu, zawiesiny ogólnej, rozkładu stężeń tlenu pozwaliło na stworzenie modelu 26
przebiegających w urządzeniu procesów oraz sformułowanie wniosków technologicznych bądź konstrukcyjnych. Na podstawie zebranego materiału doświadczalnego z badań znacznikowych przedłożono i wdrożono projekty nowych rozwiązań konstrukcyjnych uśredniaczy - osadników ścieków [6]. Aktualnie metoda znaczników promieniotwórczych stała się rutynową techniką badania procesów i urządzeń przemysłowych. Badania te mogą być wykonywane przez wyspecjalizowane grupy badawcze, posiadające uprawnienia do stosowania otwartych źródeł promieniowania. W Polsce istnieją dwa ośrodki badawcze wyposażone w stosowną aparaturę pomiarową które mogą prowadzić tego typu badania - Instytut Chemii i Techniki Jądrowej (IChTJ) w Warszawie i Akademia Górniczo-Hutnicza (AGH) w Krakowie. Rozwój technik komputerowych pozwolił na szerokie zastosowanie obliczeń numerycznych do modelowania struktury przepływów w urządzeniach i aparatach przemysłowych. Opracowano specjalne do tego oprogramowania (m. in. Fluent, Fidap) oraz metodyki badawcze. Na bazie tych prac rozwinęła się nowa dziedzina Computational Fluid Dynamics (CFD) znajdująca coraz szersze zastosowanie w pracach badawczych i projektowych. Metoda radioznaczników może być stosowana jako jedna z technik weryfikacji doświadczalnej wyników uzyskiwanych metodami CFD [7]. LITERATURA 1. Ocena poziomu inżynierii chemicznej i procesowej w Polsce, Komitet Inżynierii Chemicznej i Procesowej PAN, Gliwice 1994. 2. Danckwerts P.V., Chem. Eng. Sci., 2,1 (1953). 3. Zitny R., Thyn J., Residence Time Distribution Software Analysis, IAEA, Vienna 1996. 4. Palige J., Chamer R., Rudy i Metale, 33,1 (1988). 5. Palige J., Chmielewski A.G., Radioisotopy, 31, (5-6), (1990). 6. Chmielewski A.G., Owczarczyk A., Palige J., Nukleonika, 43, 2 (1998) 185-194. 7. Consultants Meeting, IAEA, Vienna, 22-25 November 1999. 27