Анализ и описание процессов в потоке

ГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА ПОТОКОВ

Большинство химико-технологических процессов проводится в потоке. Поток оказывает чрезвычайно существенное влияние на ход процессов, и построить хорошую модель процесса без учета этого влияния невозможно.

Поскольку поле скоростей во многом определяет поле температур и концентраций, то от гидродинамической структуры потоков в аппарате существенно зависит скорость многих химико-технологических процессов, и прежде всего - движущая сила этих процессов. Учет гидродинамической структуры потоков очень важен при расчетах промышленных аппаратов и их моделировании, поскольку даже небольшие изменения конструкции промышленного аппарата, а иногда и его масштаба, по сравнению с моделью, на которой изучался процесс, могут существенно повлиять на гидродинамическую структуру потоков. А это, в свою очередь, может заметно отразиться на эффективности (обычно в сторону снижения) осуществляемого в данном промышленном аппарате процесса.

Сложность структуры потока. Любой поток сложен по своей структуре. Сложность проявляется на различных уровнях, в разных масштабах, проявления ее весьма многообразны.

Рассмотрим некоторые из этих проявлений.

1. Нестационарность скорости. По этому признаку, как известно, потоки делятся на ламинарные и турбулентные.

Ламинарный поток преимущественно стационарен. Разумеется, при изменениях, происходящих в системе (прежде всего, при изменениях расхода жидкости), стационарность нарушается. Но установившийся ламинарный поток стационарен: в данной точке аппарата скорость проходящего через нее потока остается одной и той же.

Турбулентный поток нестационарен по существу. Даже если никакие параметры в среднем не меняются во времени, поток все время испытывает хаотические колебания скорости, так называемые флуктуации, или пульсации.

2.Неоднородность поля скоростей. В разных частях потока скорости частиц жидкостей различны как по величине, так и по направлению. Эти различия могут быть стационарными (например, параболический профиль скоростей в ламинарном потоке) и нестационарными: в турбулентном потоке максимум скорости наблюдается то в данной точке, то в соседней.

Крайние случаи неоднородности скоростей — это, с одной стороны, короткие байпасы, а с другой — застойные зоны. В данном случае под байпасом понимают часть потока, очень быстро проходящую от входа к выходу, почти не участвуя в процессе. С другой стороны, порции жидкости, попавшие в застойную зону, остаются практически неподвижными и также выпадают из процесса.

Неоднородность скоростей по направлению может выражаться в образовании зон циркуляции жидкости.

Движение частиц в химических аппаратах значительно сложнее, чем в трубопроводах (рис. 1). Частицы потока в них движутся по очень сложным криволинейным траекториям, иногда в противоположном по отношению к движению основного потока направлении. Это приводит к тому, что, как и при движении жидкости в трубопроводе, одни частицы могут быстрее пройти через aппарат, другие, наоборот, дольше задерживаются в аппарате, а в так называемых застойных зонах аппарата время пребывания может быть намного больше среднего времени пребывания в аппарате основной массы потока. При этом может оказаться, что для частиц, наиболее быстро проходящих аппарат (байпасирование частиц потока), время пребывания в нем недостаточно для достижения заданной полноты процесса, а для частиц, попавших в застойные зоны, время пребывания слишком велико (процесс тепло- или массопереноса достиг равновесия для условий этих зон), и поэтому данные участки аппарата используются неэффективно.

Для того чтобы выровнять скорость частиц потока по сечению аппарата, применяют различные устройства (рис. 1, в, е), которые, однако, далеко не всегда приводят к желаемым результатам.

Рис 1 Схемы распределения потока газа на входе в аппарат с центральным (а, б, в) и боковым (г, д, е) вводом потока и скоростей газа по сечению аппарата:

а,г - без распределительной решетки, б,д - с распределительной решеткой (1), в,е - с распределительной решеткой (1) и дополнительным спрямляющим устройством (2).