ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Модели структуры потока в колонных аппаратах и их параметры из "Структура потоков и эффективность колонных аппаратов химической промышленности" В колонных аппаратах потоки жидкостей, газов (паров) и сыпучих материалов по своей структуре, как правило, занимают промежуточное положение между двумя предельными идеализированными случаями полного (идеального) вытеснения и полного (идеального) перемешивания. [c.23] Случай полного вытеснения предполагает, что скорости диффузии частиц в направлении потока и навстречу ему исчезающе малы по сравнению со скоростью перемещения веществ. Кроме того, полагают, что турбулентные пульсации не приводят к заметному перемещению частиц потока в направлении, обратном его движению. Указанные допущения по существу равносильны предположению об одинаковом времени пребывания всех частиц потока в аппарате при равномерном профиле скоростей каждой фазы в любом поперечном сечении аппарата. Таким образом, в режиме полного вытеснения последующие объемы вещества не смешиваются с предыдущими и полностью вытесняют друг друга. [c.23] В случае полного перемешивания поступающие в аппарат новые частицы мгновенно и идеально смешиваются с находившимися ранее в аппарате. Иными словами, состав вещества во всем объеме аппарата постоянен и равен его конечному составу (в выходящем потоке). [c.23] В реальных условиях из-за неравномерности профиля скоростей в сечении потока и неполной сепарации встречных взаимодействующих фаз в отдельных сечениях аппаратов всегда происходит перемешивание фаз в продольном направлении. Это приводит к уменьшению движущей силы процессов тепло- или массообмена и к соответствующему уменьшению эффективности аппаратов (по сравнению с режимом полного вытеснения). В реальных аппаратах никогда не достигается полное и мгновенное смешение предыдущих и последующих объемов вещества. Заметим, что с увеличением отношения длины аппарата к его диаметру / к движение потоков в аппарате приближается к режиму полного вытеснения, а при уменьшении этого отношения — к режиму полного перемешивания. [c.23] Выяснению природы и количественных характеристик перемешивания частиц в направлении перемещения потоков и в обратном направлении посвящено большое число теоретических и экспериментальных работ. В литературе отклонение структуры реальных потоков от идеальных называют по-разному осевым или продольным леремешиванием, продольной диффузией, обратным перемешиванием, уносом и др. Мы будем пользоваться термином продольное перемешивание. [c.24] Влияние каждого из трех перечисленных факторов на интенсивность продольного перемешивания не одинаково в колоннах различных конструкций из-за своеобразного характера формирующихся в них потоков. Так, турбулентное перемешивание в осевом ваправлении и осевая циркуляция в потоке преобладают в колоннах, в которых физические или химические процессы интенсифицируются путем сообщения взаимодействующим потокам внешней механической энергии (аппараты с механическим перемешиванием), а также в барботажных колоннах. Влияние же поперечной неравномерности преимущественно проявляется в аппаратах без механических перемешивающих устройств (распылительные колонны, насадочные колонны без пульсаций и т. п.) или в аппаратах с очень низкой интенсивностью перемешивания. Поперечная неравномерность (особенно в газовом потоке) может оказывать некоторое влияние на продольное перемешивание фаз также в барботажных колоннах. [c.24] Вас — коэффициент осевой диффузии, см /с. [c.24] Для количественной оценки продольного перемешивания в ко-юнных аппаратах предложены различные теоретические модели труктуры потоков. Разумеется, корректность каждой модели определяется ее адекватностью реальным условиям. В этом аспекте 1иже будут рассмотрены предложенные теоретические модели. [c.25] В колонных аппаратах структура реальных потоков практически никогда не соответствует модели полного вытеснения или полного перемешивания. Для описания структуры потоков предложены различные модели, в той или иной степени соответствующие реальному потоку. [c.26] Рециркуляционная модель [28—44], иногда называемая ячеечной моделью с обратными потоками, предполагает, что аппарат состоит из ряда последовательных одинаковых ячеек полного перемешивания, через которые наряду с основными проходят рециркуляционные (обратные) потоки (рис. И-4). По этой модели параметрами степени неидеальности потока являются число ячеек полного перемешивания п и коэффициент межъячеечной рециркуляции f=W u, где — средняя линейная скорость обратных потоков (удельная рециркуляция). Заметим, что W = л q (где ш — объемная скорость межъячеечных рециркуляционных потоков, мУч q — площадь поперечного сечения аппарата). [c.28] При п— -сю рециркуляционная модель переходит в модель идеального вытеснения при п— -оо, — -сю и /пфО — в диффузионную (подробнее см. гл. IV) при f— -оо и постоянном конечном значении п — в модель потока идеального перемешивания. [c.28] Рециркуляционная модель отражает реальную картину потока в секционированных колонных аппаратах, в каждой секции которых благодаря интенсивному перемешиванию происходит выравнивание концентрации (или температуры), а между секциями существует рециркуляция жидкости или газа (см. рис. П-З). К таким аппаратам приближаются секционированные колонны барбо-тажного типа, с механическим перемешиванием и с псевдоожи-женным слоем. [c.28] Комбинированная модель [45—48] предполагает, что аппарат состоит из ряда последовательных одинаковых ячеек (секций) неполного перемешивания с рециркуляционными потоками между ними. В этом случае ступенчатое изменение концентрации на границах секций, характерное для ячеечной и рециркуляционной моделей, сочетается с плавным изменением концентрации по высоте секций (см. рис. П-З). [c.28] Модели с застойными зонами (рис. П-6) применимы к аппаратам со слабоперемешиваемыми участками. Так, ячеечная модель с застойными зонами применима к аппаратам с неподвижным зернистым слоем, диффузионная с застойны-ми зонами — к насадочным колоннам, а рециркуляционная с застойными зонами — к потокам легкой дисперсной фазы в роторно-дисковых экстракционных колоннах. [c.29] В некоторых аппаратах возможна различная интенсивность продольного перемешивания на отдельных участка) [64, 65]. Диффузионная модель, учитывающая наличие в аппарате участков с различной интенсивностью перемешивания [64], показана на рис. П-7. [c.30] Применительно к экстракционным колоннам разработана [66, 67] диффузионная модель, учитывающая наличие отстойной зоны (рис. П-8). Эта модель позволяет по экспериментальным данным об интенсивности продольного перемешивания фаз определить объемную долю дисперсной фазы в экстракционных колоннах (удерживающую способность). [c.30] Предложены и проанализированы [71, 72] двухмерные диффузионные модели, учитывающие наряду с продольной турбулентной диффузией наличие поперечного перемешивания и градиента скорости в ллоокости, перпендикулярной направлению потока. [c.31] Известны [71, 73—75] так называемые смешанные модели , когда аппарат представляется в виде набора параллельно или последовательно соединенных зон полного перемешивания, полного вытеснения, застойных, диффузионного рассеяния, участков с байпасом, с рециркуляцией потока и т. п. [c.31] В последнее время предложено большое число многопараметрических моделей [76—79]. Разумеется, с увеличением числа параметров растет гибкость теоретической модели, ее приспособляемость к различным условиям, т. е. возможность подгонки ее к конкретным условиям. Однако одновременно усложняется математический аппарат и, что особенно важно, возрастает опасность отклонения модели от действительного механизма продольного перемешивания. [c.31] Вернуться к основной статье