ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах из "Основные процессы и аппараты химической технологии" На многие процессы, главным образом тепловые, массообменные и химические, большое влияние оказывает структура потоков в аппаратах. Даже при первоначальном равномерном распределении входящих потоков что само по себе часто представляет трудную задачу) картина их движения внутри промышленного аппарата довольно сложна. Как правило, скорости потока неодинаковы по сечению аппарата, поперечному к основному направлению движения, причем распределение, или профиль, скоростей изменяется от сечения к сечению по длине (высоте) аппарата. Частицы потока движутся по криволинейным, часто довольно сложным траекториям, иногда и в направлении, противоположном основному направлению потбка. Это приводит к тому, что некоторые частицы могут быстро проскочить через аппарат, например в случае каналообразования и байпасирования части потока (см. стр. 105 и 109). Время пребывания этих частиц меньше среднего, в то время как другие задерживаются в аппарате дольше зачастую в нем образуются застойные зоны, в которых время пребывания частиц оказывается весьма значительным. [c.117] Для полого аппарата (рис. П-35), например, время пребывания частиц, движущихся по траекториям, обозначенным стрелками 1, существенно меньше времени пребывания частиц, которые циркулируют по стрелкам 2 или попадают в застойные зоны 3. [c.117] Другим примером, иллюстрирующим различие времен пребывания, может служить рассмотрение профиля скоростей при движении жидкости по трубе (см. рис. II-10, стр. 45). Различия в скоростях по сечению наиболее велики при ламинарном течении. Поэтому частицы, движущиеся вблизи оси трубы, обгоняют частицы, движущиеся ближе к ее стенкам, и находятся в трубе значительно меньшее время, чем последние. При турбулентном течении скорости распределены по сечению трубы более равномерно. Однако и в данном случае время пребывания разных частиц жидкости неодинаково, что обусловлено турбулентными пульсациями, под действием которых происходит перемешивание частиц, или турбулентная диффузия различные частицы движутся в разных направлениях по отношению к движению основной массы потока, в том числе и в поперечном (радиальная диффузия), и в продольном (осевая диффузия). Осевая диффузия может как совпадать по направлению с движением основной массы потока, так и быть направлена в обратную сторону, в результате чего возникают различия во времени пребывания частиц жидкости. Радиальная же диффузия, выравнивая профиль скоростей, наоборот, сближает время пребывания разных частиц. [c.117] Игнорирование действительных полей скоростей, температур и концентраций и применение упрощенных представлений о структуре потоков обычно приводит к существенным ошибкам при расчете производственных аппаратов. Без учета структуры потоков в большинстве случаев невозможно использовать экспериментальные данные, полученные на установках лабораторного или полузаводского масштаба, для проектирования промышленной аппаратуры. Масштаб установки и даже небольшие изменения конструкции обычно сильно сказываются на структуре потоков. Это вызывает, как правило, снижение эффективности процесса в более крупных аппаратах по сравнению с ожидаемой на основании лабораторных опытов. Поэтому при масштабном переходе от лабораторных установок к полузавод-ским и затем к промышленным целесообразно проводить гидравлическое моделирование. Оно заключается в изучении движения потоков на холодных моделях, имеющих основные размеры моделируемых аппаратов, но изготовленных из более дешевых материалов. Как правило, эксперименты на таких моделях осуществляют не при рабочих, а при более низких температурах, и не с рабрчими, а с более удобными для испытаний веществами (воздух, вода и т. п.). [c.118] Наиболее точные данные о структуре потоков можно было бы получить путем непосредственного измерения скоростей во многих точках внутри аппарата или его модели. Однако выполнение таких измерений для аппаратов сложной конструкции представляет собой весьма трудную и дорогостоящую, а часто и практически неосуществимую задачу. Кроме того, даже в случае установления полной картины распределения потока в аппарате не всегда удается на практике использовать эти данные для расчета проводимого в аппарате процесса. Вследствие того что скорость является функцией всех координат, уравнения, характеризующие поле скоростей, сложны, и часто их решение в совокупности с уравнениями для скоростей тепло- и массопередачи и химических реакций невозможно или сильно затруднено. [c.118] При таком методе исследования механизм явлений, происходящих внутри аппарата, вскрыть труднее, так как само поле скоростей остается неизвестным. Однако достоинства указанного метода часто компенсируют этот его недостаток. [c.119] Данные о распределении времени пребывания получить проще, чем выявить полную картину распределения скоростей. Для этого достаточно провести соответствующие измерения лишь на входе и выходе потока. Кроме того, легче оказывается количественная трактовка получаемых результатов для расчета технологического процесса и управления им, так как здесь приходится иметь дело с функцией уже не нескольких, а единственной переменной — времени. При этом знания распределения времени пребывания частиц жидкости во многих случаях вполне достаточно для расчетных целей. Наконец, данные о распределении времени пребывания нередко позволяют приближенно судить и о самом механизме движения потока, т. е. о его структуре внутри аппарата. [c.119] Пометим, например, порцию поступающей в какой-то момент в аппарат жидкости путем мгновенного ввода во входящий поток по всему его поперечному сечению какой-либо краски (импульсный ввод). Через некоторый промежуток времени, анализируя содержание краски в потоке на выходе, мы обнаружим, что вся краска так же мгновенно, выйдет из аппарата. Этот результат однозначно будет свидетельствовать о такой структуре потока внутри аппарата, при которой все частицы жидкости движутся параллельно друг другу с одинаковыми скоростями, не обгоняя основную массу потока и не отставая от нее. Поток движется как бы аналогично твердому поршню и поэтому называется поршневым. Аппараты с поршневым движением жидкости называют аппаратами идеального вытеснения. [c.119] Вид кривой отклика при идеальном вытеснении представлен на рис. П-36, а. Начиная с момента т = О, когда индикатор был введен во входящий поток, и до момента т = т , индикатор не обнаруживается в выходящем из аппарата потоке. В момент же времени т = Тд концентрация с индикатора на выходе мгновенно возрастает (теоретически — до бесконечности), а затем сразу же вновь снижается до нуля. Индикатор проходит через аппарат неразмываемым тончайшим слоем (как бы поверхностью твердого поршня), и сигнал, фиксируемый на выходе в момент Тд, в точности соответствует сигналу на входе в момент т = 0. [c.119] В большинстве случаев структура потоков в аппаратах более или менее значительно отличается от структуры, отвечающей идеальному вытеснению. Это может быть следствием различных причин, в том числе — перемешивания частиц жидкости вдоль оси аппарата, различия скоростей по поперечному сечению ламинарного потока, байпасирования части потока вследствие каналообразования, образования застойных зон и т. д. [c.120] Перемешивание вдоль оси аппарата при этом, в свою очередь, может вызываться самыми разнообразными причинами. Оно может происходить под действием механической мешалки или вследствие естественной конвекции, обусловленной разностью плотностей жидкости в различных точках (например, в выпарных аппаратах с естественной циркуляцией, описанных в главе IX). Оно может быть также обусловлено турбулентной диффузией или увлечением частиц потока одной из фаз потоком другой фазы при их противоточном взаимодействии (например, при захвате некоторой доли двужущейся вниз жидкости поднимающимися пузырями газа при барботаже) и другими причинами. [c.120] Однако какой бы ни была причина отклонений от идеального вытеснения, они проявляются в том, что времена пребывания т различных частиц уже неодинаковы и отличаются от среднего времени пребывания То, определяемого по уравнению (11,152). Одни частицы обгоняют основную массу потока и появляются на выходе из аппарата раньше ее, другие задерживаются в аппарате. [c.120] Независимо от механизма любое отклонение от идеального вытеснения часто условно называют перемешиванием, или обратным перемешиванием. В этом смысле противоположной аппарату идеального вытеснения идеализированной моделью непрерывно действующих аппаратов считают аппарат идеального перемешивания, или идеального смешения. [c.120] После этого концентрация с краски в аппарате начнет убывать во времени, так как краска непрерывно выносится потоком, а входящая жидкость краски уже не содержит. Однако в любой момент концентрация краски остается одинаковой во всех точках аппарата. [c.120] Из соответствующей кривой отклика (рис. П-36, б) видно, что большая часть индикатора выходит в этом случае из аппарата за время между моментом его ввода (т = 0) и моментом, соответствующим среднему времени пребывания Тц, определяемому по уравнению (И, 152). Для вымывания остальной части индикатора теоретически требуется бесконечное время. [c.120] Примером аппарата, условия в котором близки к идеальному смешению, является сосуд с интенсивно работающей мешалкой, через который непрерывно движется маловязкая жидкость при небольшом ее расходе. Близко к идеальному смешению и движение твердой фазы в кипящем слое зернистого материала при однородном псевдоожижении. [c.121] Картина движения потоков в большинстве непрерывно действующих аппаратов не отвечает ни идеальному вытеснению, ни идеальному смешению. По структуре потоков эти аппараты можно считать аппаратами промежуточного типа. Примерный вид кривой отклика для таких аппаратов представлен на рис. II-36, в. Е5веденный мгновенно (импульсом) во входящий поток индикатор появляется на выходе позднее, чем при идеальном смешении — через некоторое время т после момента ввода т = 0. Его концентрация на выходе сначала увеличивается во времени до момента и лишь затем начинает уменьшаться, стремясь к нулю при т — оо. Кривая отклика на рис. И-36, в тем ближе по форме к кривым на рис. П-36, а или П-36, б, чем ближе движение потока в аппарате к условиям идеального вытеснения или идеального смешения соответственно. [c.121] Зависимость концентрации С от времени 0 называется дифференциальной функцией распределения времени пребывания жидкости в аппарате. Частный вид этой функции для аппарата идеального смешения выражен уравнением (II, 154а). [c.122] Уравнение (II, 157а) применяют для определения объема V, занимаемого в двухфазном потоке внутри аппарата одной из фаз, расход которой составляет Q. например общего объема капель (дисперсной фазы) и сплошной фазы для системы жидкость — жидкость в экстракционных аппаратах и т. п. [c.123] Пользуясь данными о распределении времени пребывания, можно решать и другие прикладные задачи. Так, с помощью уравнений (11.157а) или (11,155) можно найти расход жидкости через трубопровод, если обычные методы, описанные выше (см. стр. 59 сл.), нельзя применить. [c.123] Вернуться к основной статье