ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Структура потоков и распределение времени пребывания жидкости в аппаратах из "Основные процессы и аппараты химической технологии Издание 8" 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 потока. Это приводит к тому, что некоторые частицы могут быстро проскочить через аппарат, например в случае каналообразования и, байпасирования части потока (см. стр. 108 и 112). 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.120] НО меньше времени пребывания частиц, которые циркулируют по стрелкам 2 или попадают в застойные зоны 3. [c.121] Другим примером, иллюстрирующим различие времен пребывания, может служить рассмотрение профиля скоростей при движении жидкости по трубе (см. рис. II-10, стр. 46). 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.121] Во многих промышленных аппаратах картина распределения скоростей (поле скоростей) значительно сложнее, чем в приведенных выше относительно простых примерах. Поле скоростей, в свою очередь, в значительной степени определяет профиль температур и. концентраций, от которых, как будет показано ниже (см. главы VII и X), зависит скорость тепловых и массообменных процессов и, в частности, их движущая сила. Те же факторы сильно влияют на скорость химических (реакционных) процессов. [c.121] Для частиц потока, наиболее быстро проходящих аппарат, время пребывания в нем недостаточно для достижения требуемой полноты протекания процесса. В то же время для частиц, попавших в застойные зоны, время пребывания слишком велико, и эти участки аппарата используются неэффективно, а иногда в них могут возникать также нежелательные процессы (например, побочные реакции). [c.121] 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.122] По этим причинам более удобно, а зачастую практически единственно возможно, получать не непосредственную, а косвенную информацию о поле скоростей путем изучения распределения отдельных частиц жидкости по временам их пребывания в аппарате, т. е. выявлять, какая доля потока находится в аппарате то или иное время. Для этого, например, вводят в поток, поступающий в аппарат, примесь какого-либо вещества — индикатора и, анализируя во времени содержание данного вещества в выходящей из аппарата помеченной жидкости, находят продолжительность пребывания в аппарате отдельных ее частиц. В качестве индикаторов применяют различные краски, растворы солей, изменяющих электропроводность жидкости, радиоактивные препараты и другие количественно легко обнаруживаемые вещества. Отклик на возмущение, внесенное при этом на входе в аппарат вводом индикатора, представляют в виде кривых зависимости концентрации его в выходящей жидкости от време-ни, которые называют выходными кривыми, или кривыми отклика (см. ниже). [c.122] 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.122] 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.122] Вид кривой отклика при идеальном вытеснении представлен на рис. П-36,а. Начиная с момента т = О, когда индикатор был введен вр входящий поток, и до момента т=То, индикатор не обнаруживается в выходящем из аппарата потоке. В момент же времени т = То 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.123] Идеальное вытеснение жидкости в чистом виде никогда не реализуется на практике. Поэтому аппарат идеального вытеснения является идеализированной моделью. Однако в ряде случаев поток в реальных аппаратах более или менее приближается к поршневому. Сравнительно близки к аппарату идеального вытеснения, например, аппараты, в которых жидкость (газ) движется по длинным трубкам, заполненным зернистыми материалами (катализатором, адсорбентом). [c.123] 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.123] 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 движущейся вниз жидкости поднимаюЩимися пузырями газа при барботаже) и другими причинами. [c.123] 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 (П,152). Одни частицы обгоняют основную массу потока и появляются на выходе из аппарата раньше ее, другие задерживаются в аппарате. [c.123] 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 То, определяемому по уравнению (И, 152). Для вымывания остальной части индикатора теоретически требуется бесконечное время. [c.124] 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.125] 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. П-36, в. Введенный мгновенно (импульсом) во входящий поток индикатор появляется на выходе позднее, чем при идеальном смещении — 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 T-V оо. Кривая отклика на рис. П-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.125] Кривые отклика чаще всего строят не в координатах с — т (рис. П-36), а в безразмерных координатах С — 0. При этом площадь под кривой отклика (рис. П-37) выражает, в соответствии с уравнением (П,156), общее относительное количество индикатора (или всей помеченной жидкости) принимаемое за единицу. В то же время величина dQ (заштрихованная накрест площадка на рис. П-37) характеризует долю общего количества индикатора, удаляемую из аппарата за время dB, или долю жидкости, пребывание которой в аппарате соответствует промежутку времени от O до (0 + 0). [c.126] Пользуясь данными о распределении времени пребывания, можно решать и другие прикладные задачи. Так, с помощью уравнений (П, 157а) или (II, 155) можно найти расход жидкости через трубопровод, если обычные методы, описанные выше (см. стр. 61 сл.), нельзя применить. [c.127] При Проведении химических, массообменных или тепловых процессов в аппаратах идеального вытеснения концентрации рабочих веществ (или температуры) непрерывно меняются от входа к выходу по длине (высоте) аппарата. В аппаратах идеального смешения происходит полное выравнивание концентраций (или температур) по всему аппарату, причем в любой точке они равны значениям соответствующих величин на выходе потока. [c.127] Вернуться к основной статье