Структура потоков
СТРУКТУРА ПОТОКОВ в
аппаратах непрерывного действия, существенно влияет на хим. процессы, тепло-и
массообмен. Для процессов в многофазных потоках важно взаимное направление движения
фаз (противоток, прямоток и др.) и геом. формы движущихся объемов (пленки, струи,
капли, пузыри). При рассмотрении переноса процессов существенны режим
течения (ламинарный, турбулентный) и связанная с ним проблема пограничного слоя.
Большое значение имеют различия во времени пребывания частиц потока в рабочем
объеме и их взаимное перемешивание в результате нестационарности поля скоростей,
неравномерности распределения скоростей и их разнонаправлен-ности. В частицах
потока, покидающих рабочий объем быстрее других, процесс оказывается незавершенным;
в частицах, задерживающихся в этом объеме, он проходит глубже. Поскольку скорость
процесса обычно снижается во времени, его незавершенность определяется долей
частиц с малым временем пребывания. Отрицательное влияние неравномерности распределения
времени пребывания тем сильнее, чем выше требуемая степень незавершенности процесса.
Перемешивание в потоках
подразделяют по направлению на поперечное и продольное, а также по уровню-перемешивание
на макроуровне (смешивающиеся частицы сохраняют свою индивидуальность) и на
микрруровне (происходит гомогенизация частиц). Поперечное перемешивание, как
правило, связана с турбулентностью; оно интенсифицирует массо- и теплоперенос.
Продольное перемешивание-взаимное смешение элементов потока, поступивших в аппарат
в разные моменты времени. Оно приводит к выравниванию профилей концентраций
и т-р по длине потока, к неравномерности распределения времен пребывания, часто
уменьшает движущую силу процесса и снижает его эффективность. Для подавления
продольного перемешивания и усиления поперечного применяют секционирование потока
с помощью соответствующих устройств.
Для анализа хим.-технол.
процессов используют модели С. п. разной степени идеализации; простейшие из
них-идеальное вытеснение и идеальное смешение (см. Непрерывные и периодические
процессы). В первом случае предполагается отсутствие продольного
перемешивания при полном поперечном, время пребывания всех частиц одинаково.
Эта модель удовлетворительно описывает, напр., мн. процессы в длинных тpyбax,
особенно заполненных зернистыми слоями. В модели идеального смешения полагают,
что элементы потока при поступлении в аппарат мгновенно и равномерно смешиваются
со всем его содержимым, концентрации и т-ра одинаковы во всех точках объема.
К этой модели близки, напр., потоки в аппаратах с интенсивным мех. перемешиванием.
Упомянутые модели-крайние
случаи условий смешения в потоке. Промежут. случаи описывают модели, выбор к-рых
определяется физ. картиной процесса и степенью сложности расчетов. Диффузионные
модели представляют поток как вытеснение, на к-рое накладывается перенос в продольном
(однопараметрич. модель) или в продольном и поперечном (двухпараметрич. модель)
направлениях, причем перенос формально описывается ур-ниями диффузии. Ячеечная
модель представляет поток как последовательность одинаковых ячеек идеального
смешения, причем число ячеек подбирается так, чтобы отразить влияние продольного
перемешивания. Ячеечная модель удовлетво-
рительно описывает потоки
в секционир. аппаратах; как простую расчетную схему ее иногда используют и для
иных потоков. Более сложные потоки описываются комбинир. моделями (схемные соед.
простых моделей).
Каждой модели С. п. отвечает
ур-ние или система ур-ний, позволяющие рассчитывать процесс в потоке и необходимый
объем аппарата. Эти ур-ния содержат параметры моделей (эффективный коэф. диффузии,
число ячеек и др.), для определения к-рых применяют разл. методы. Напр., на
входе потока вводят по определенному закону (импульсному, ступенчатому и др.)
индикатор, а на выходе регистрируют отклик-изменение концентрации индикатора
во времени (см. также Трассёра метод). Обработка отклика методами статистики
позволяет оценить закон распределения времени пребывания и найти параметры модели.
Сведения о С. п. особенно
важны при моделировании пром. аппаратов. При переходе к ним от малых установок
следует учитывать изменение С. п. Знание параметров С. п. и физ.-хим. характеристик
процессов позволяет расчетным путем исследовать и прогнозировать поведение аппаратов
и определять оптим. условия их работы.
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; Кафаров В. В., Методы кибернетики
в химии и химической технологии, 4 изд., М., 1985, с. 298-365. И. А. Гильденблат,
А.Ю. Закгейм.