ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Перемешивание и рассеяние в насадочных слоях из "Массопередача" Рассеяние по нормали к направлению течения (радиальное) обычно является полезным в том смысле, что разница в концентрациях между малыми элементами жидкости имеет тенденцию к выравниванию, и таким образом уменьшаются концентрационные различия, которые усиливают вредное осевое (или продольное ) рассеяние. Быстрый перенос в радиальном направлении желателен, когда тело или масса должны быть доставлены к стенке, ограничивающей слой, или отведены от нее, как в случае проведения экзотермических реакций в трубчатых реакторах, с внешним охлаждением и слоями твердых частиц катализатора. [c.148] Влиянию осевого рассеяния и распределения времен пребывания на работу химико-технологического оборудования посвящена обширная литература. Цель же настоящего раздела — описать явления, вызывающие рассеяние, и показать природу имеющихся данных по осевому и радиальному рассеянию в однофазном потоке жидкости через стационарный слой твердых частиц. Воздействие аксиального рассеяния на работу массообменного оборудования, такого, как промышленные насадочные абсорберы, обсуждается в главе П. В разделе 4.11 рассмотрено осевое рассеяние при течении в трубах и каналах без насадки. [c.148] Для интерпретацнн и корреляции экспериментальных данных, относящихся к перемешиванию в насадочных слоях, использовалось несколько моделей . По одной из них — диффузионной модели, применяемой особенно часто, предполагается, что перенос субстанции можно описать законом Фика и что коэффициенты радиальной и осевой диффузии (вероятно, лучше их назвать коэффициентами рассеяния ) Ео к Еа, не зависящие от концентрации переносимой субстанции, могут быть связаны со евой-ствами жидкости, гидродинамическими параметрами и с конфигурацией слоя и элементов насадки. В ячеечной модели (см. ниже) поток через малые пустоты между частицами принимается аналогичным течению через большое число последовательно установленных сосудов полного смешения. Наконец, в третьей модели основное внимание сосредоточено на отношении количества жидкости, физически переносимой за счет обратного перемешивания, к общему потоку в направлении течения. [c.149] Упомянутые приближенные модели позволяют получить эмпирические корреляции опытных данных, полезные при оценке влияния перемешивания на работу химических реакторов и массообменного оборудования. Отметим, что указанные корреляции не дают и не требуют знания истинной физической картины рассеяния. Теоретические модели маломасштабного перемешивания в насадочных слоях были развиты рядом исследователей (см., например, работы [115, 19, 38, 65, 10, 130, 99, 159, 126]), но ни одна из них не может служить надежной базой для количественного предсказания влияния перемешивания. Это и не удивительно, так как структура слоев и геометрия существующих в них каналов, по которым движется газ, чрезвычайно сложны даже в слоях, состоящих из одинаковых шаров. Трудности рассмотрения столь сложного явления с очевидностью вытекают из превосходного обзора Хоэя и Бевериджа [75] по структуре насадочных слоев. [c.149] Задача еще более осложняется за счет влияния различных застойных зон, как происходит в случае, когда каналы, по которым движется поток, имеют боковые заглушенные поры, поглощающие и отдающие распределяемое вещество путем медленно протекающей диффузии. Этот факт анализировали Арис [7] и Ганн и др. [65, 66, 67]. [c.149] Величина (/, равна приведенной (т. е. фиктивной, отнесенной ко всему сечению аппарата — прим. ред.) скорости, деленной на долю свободного сечения слоя, причем последняя равна доле его свободного объема е. Заметим, что значения коэффициентов продольного и радиального перемешивания и Е определяются в расчете на долю свободного сечения слоя. Уравнение (4.47) подобно дифференциальному уравнению, преобразующемуся в формулу (4.33) для диффузии от точечного источника, при выводе которой предполагали, что Е,. — Е = onst, а Еа - 0. [c.150] Применяемые для измерения Е и Eg методы включают сравнение распределения метки в питающем растворе и вытекающей из исследуемой насадки жидкости при установившемся течении. Решения уравнения (4.47) при подходящих для используемого метода измерений граничных условиях сопоставляют с экспериментальными данными, чтобы найти значения коэффициентов перемешивания. [c.150] Радиальное рассеяние легче всего найти, непрерывно вводя поток раствора-метки пз точечного источника, расположенного по оси слоя насадки, и измеряя распределение трассера в нескольких точках в радиальном направлении вниз по потоку.. Эта процедура аналогична определению коэффициента турбулентной диффузии в открытом канале, описанному в разделе 4.7. [c.151] Ячеечная модель в простейшей форме рассматривает несколько малых потоков жидкости, поступающих в пространство между элементами насадки, где эти потоки основательно перемешиваются, прежде чем объединенный поток жидкости перетечет в следующие плоскости вниз по потоку. Обсудим такой эксперимент вода при постоянном расходе проходит через слой частиц одинакового размера. Пусть теперь питающая жидкость внезапно заменяется на разбавленный раствор соли, и течение продолжается с той же самой постоянной скоростью. Если осевое рассеяние отсутствует, то концентрация вытекающей жидкости, очевидно, внезапно ступенчато изменится и станет равной концентрации солевого раствора, поступающего на орошение. Однако вследствие осевой диффузии и перемешивания концентрация соли на выходе из слоя будет изменяться не внезапно, а 5-образно во времени. [c.151] Другое уравнение, связывающее концентрацию, время и высоту насадки, может быть также получено решением выражения (4.47) с соответствующими граничными условиями. Это решение (градиенты в радиальном направлении не учитываются) дает связь между с, расстоянием х и временем основанную на диффузионной модели. [c.152] Указанные две модели приводят к различным формам соотношения / (с, X, f) = О, подходящим к условиям рассмотренного эксперимента. Оба эти выражения нетрудно преобразовать, чтобы определить функцию плотности вероятности, которая характеризует вероятность того, что. молекула соли или воды (в потоке питания молекулы соли и воды ассоциированы в постоянной пропорции) появятся в выходящем из слоя насадки потоке в момент времени t после ступенчатого изменения концентрации. Если применена импульсная методика, то упомянутая вероятность для вытекающей из слоя жидкости пропорциональна концентрации в ней метки, измеренной через отрезок времени t после импульсного ввода ее порции. [c.152] Экспериментальные данные по рассеянию в насадочных слоях опубликованы в трудах очень большого числа исследователей. В обзоре Левеншпиля и Бишоффа собраны сведения до 1962 г. Данные по радиальному рассеянию газов и жидкостей в стационарных неподвижных слоях насадки приведены в работах [17, 46, 171, 139, 16, 64, 115, 122, 66]. Радиальное рассеяние тепла в насадочных слоях было измерено Плаутсем и Джонсоном [120], а в псевдоожиженных слоях — Габором [54, 55]. Данные по осевому рассеянию можно найти в публикациях [107, 96, 29, 41, 102, 146, 27, 147, 164, 79, 45, 72, 20, 37, 110, 82, 114, 64, 161, 139, 115, 71, 60, 42, 73, 66, 32]. Осевое рассеяние тепла измерялось в работах [173, 62, 140]. Различные ученые собрали опубликованные данные и суммировали их в графической форме (обычно в виде зависимости Ре или Ре от Re = d U J ) [171, 27, 52, 41, 79, 28, 98, 95, 172, 118, 64, 164, 82, 122, 38, 32, 99, 98]. [c.153] Исследования осевого рассеяния одной или обеих фаз при двухфазном течении (включая струйное течение ) в насадочных слоях изложены в статьях [127, 57, 87, 101, 164, 111, 83, 23, 78, 3, 53, 57]. В работах [64, 127, 53] при изучении рассеяния в насадочных колоннах использовали кольца Рашига и седла Берля размерами от 6,35 до 25,4 мм. В публикации [167] сообщаются данные по осевому рассеянию воды в мелких насадках, возникающему под влиянием противотока ртути. Эти результаты хорошо согласуются с корреляцией, предложенной в работе [164]. [c.153] Данные по осевому рассеянию (трактуемому как обратное смешение) в контактных аппаратах с перемешивающими устройствами ( Миксо , роторно-дисковые аппараты) можно найти в статьях [68, 112, 164, 170, 74, 149, 169]. В работах [44] и [83] рассматривается осевое рассеяние в барботажных колоннах. [c.153] Молекулярная диффузия в жидкостях, сднако, протекает настолько медленно, что элементы жидкости с различной концентрацией вещества продолжают существовать в потоке, и Еа возрастает даже тогда, когда Не снижается до значения меньше 500. Однако при снижении Не от 300 до 10 значение РСд остается почти пропорциональным Не, что указывает на примерное постоянство Еа В ЭТОЙ области. Значение Ре , падает до 0,3—0,6 при Не = 0,1 —10, но несколько повышается при дальнейшем уменьшении Не. Увеличение Ре (снижение Е с уменьшением скорости) является результатом молекулярной диффузии, протекающей в ячейке, хотя такая диффузия от ячейки к ячейке (со следующим отсюда снижением значений Ре ) не будет преобладающей, пока не станут очень малыми значения Не (порядка 0,0001 при 5с = 730). [c.155] Иллюстрацией общей картины описываемых явлений может служить рис. 4.15 (по Уилхельму [172]), который представляет собой попытку дать обобщенную корреляцию существующих данных как по осевому, так и по радиальному рассеянию. Ясно, что этот график явно не может быть основой для надежного предсказания Еа или Е , особенно в области, промежуточной между условиями смешения в ячейках (между элементами насадки) и рассеяния в результате молекулярной диффузии при низких значениях Не. Необходимо более тщательное и обширное изучение указанной промежуточной области. [c.156] Кажется сомнительным, что столь сложные явления, которые наблюдаются при течении жидкости в слоях насадки, могут во всех случаях быть описаны только на основе использования таких трех параметров, как Ре, Не и 8с даже для однофазного потока. Эбах и Уайт [41 ] не обнаружили изменения при постоянной скорости жидкости, когда вязкость ее изменялась в 26 раз. Ганн и Прайс [66] сообщают о существенном расхождении между обычными корреляциями для насадок, уложенных внавал, и данными по течению газа в регулярных насадочных слоях из сфер, уложенных в кубической или ромбоэдрической симметрии. Отклонения, о которых сообщают Эдвардс и Ричардсон [42] для случая осевого рассеяния газа в слоях, состоящих из песка и обломков пластмасс, по-видимому, являются напоминанием о том, что влияние формы элементов насадки исследовано недостаточно и что практически отсутствуют публикации по изучению слоев со смешанными размерами частиц. Нельзя ожидать, что единственный размер йр позволит адекватно описать течение в каналах насадки. Даже при применении в качестве элементов насадки шаров повторная засыпка насадочного слоя приводит к большим различиям в результатах повторных опытов 66]. Рассматриваемый вопрос весьма сложен и выяснение его потребует проведения значительных исследований. Между тем, экспериментальные данные, представленные в виде эмпирических зависимостей Ре и Ре как функции Не и 5с, смогут удовлетворить многие инженерные нужды. [c.157] Практическим основанием для существующего интереса к рассеянию в насадочных слоях служит влияние рассеяния на работу оборудования различного типа, в особенности химических реакторов и массообменных аппаратов. Эти эффекты, вообще говоря, могут быть рассчитаны, если известны коэффициенты рассеяния. Данквертс [35] показывает, например, что из-за осевого рассеяния реагирующих веществ следует ожидать снижения степени их конверсии при протекании реакции первого порядка в трубчатом аппарате. С таким же эффектом сталкиваются и при эксплуатации массообменного оборудования, где перераспределяемое растворенное вещество переносится из потока одной фазы к другой в результате массопередачи (процесс имеет первый порядок по концентрации вещества). [c.157] Вернуться к основной статье