Химические реакторы с неидеальной структурой потока

Рассмотрим одну из важнейших особенностей, присущий большинству химико-технологических процессов и очень что редко встречаются в «чистой» химии, а именно поток. Он характерный для подавляющего большинства технологических аппаратов: вносит в них исходные вещества, переносит реакционную смесь от входа до выхода, выносит продукты из аппарата. Поток сыграет важнейшую роль в процессах переноса тепла и вещества. Эти процессы также чрезвычайно специфические для химической технологии и в то же время их довольно редко приходится учитывать в лабораторных химических экспериментах.

Итак, поток. Течь может газ (например, смесь азота с водородом при синтезе аммиака), жидкость (течение мономеров при полимеризации в потоке), движение шихты в доменной печи тоже можно рассматривать как поток. Могут быть и значительно больше сложные случаи, когда «течет», двигается многофазная смесь типа суспензии или эмульсии или когда в аппарате организуют два потока навстречу друг другу (например, газ поднимается вверх, а навстречу стекает жидкость) и т.д. Будем рассматривать в основному движение одного потока; при этом для простоты все, что течет, будем называть жидкостью - будь то жидкость, газ или, например, суспензия. Лишь в отдельных случаях будут даваться уточнение, о котором именно потоке речь идет.

Главная роль потока в химическом процессе — это перенос: перенос реагирующей массы вдоль аппарата, перенос тепла, которое выделяется в процессе, из глубины аппарата к охлаждающим стенкам и т.д. При этом наиболее важные два аспекта: перенос в продольном направлении (в том направления, куда двигается поток, а также в противоположном — навстречу потоке) и перенос в поперечномнаправлении. Эти случаи часто сыграют разную роль, и о них следует поговорить отдельно.

Прежде чем говорить о переносе в потоке отметим что, большинство процессов, которые протекают в реальных условиях, носит сложный характер: каждый процесс состоит из ряда стадий, которые происходят в нем или последовательно, или параллельно. Чаще всего оказывается, что одна из стадий лимитирует процесс. Это значит, что характер протекания процесса в целом определяется данной стадией. Отсюда следует, что интенсификация других (нелимитирующих) стадий слабо влияет на общий ход процесса. Если мы хотим ускорить процесс, необходимо влиять именно на стадию, которая лимитирует. Если стадии процесса последовательные, то лимитировать будет, как правило, самая медленная, самая продолжительная, наименее интенсивная стадия. Если стадии параллельные, то лимитирует быстрейшая, интенсивная, самая мощная стадия.

Рассмотрим пример потока, относя­щийся к иному типу процессов. Завод получает рудный концентрат с обогати­тельной фабрики рудника. Основной спо­соб доставки — железная дорога. Пере­возка складывается из следующих после­довательных стадий: 1) погрузка кон­центрата в вагоны (около 3 часов); 2) следование состава от рудника до завода (около 2 суток); 3) разгрузка (около 4 часов). Вторая стадия — самая длительная и потому лимитирующая. Так, если ускорить в 1,5 раза первую стадию, то время перевозки в целом со­кратится на 1,8 %; если третью — пе­ревозка ускорится на 2,4 %. Если же удастся ускорить в 1,5 раза вторую стадию, то время всей перевозки сокра­тится на 29 %.

С другой стороны, небольшая часть концентрата доставляется не по желез­ной дороге, а автотранспортом. В таком случае оба способа доставки являются параллельными стадиями. Если, напри­мер, автомобильные перевозки в общей сумме составляют 1,5 %, то лимитирую­щей оказывается более производитель­ная стадия — доставка по железной дороге. Вряд ли стоит вкладывать круп­ные средства, чтобы вдвое увеличить автоперевозку, поскольку в итоге это даст лишь незначительный эффект.

В дальнейшем нам неоднократно при­дется выделять лимитирующие стадии и в последовательных, и в параллельных вариантах.