Описанные особенности структуры потока приводят к двум
взаимосвязанным явлениям, оказывающим сильное влияние на ход химико-технологических процессов: к возникновению перемешивания текущей жидкости и неравномерности времени пребывания.
Но при анализе первого фактора следует различать два случая: перемешивания: в поперечном и в продольном относительно потока направлениях. Поперечное перемешивание интенсифицирует массообмен между осевой частью (ядром) потока и его периферией и тем самым, как правило, улучшает условия протекания реакции. Продольное перемешивание — это смешение частиц, которые недавно вошли в аппарат, с частицами давно в нем находящимися, в которых процесс уже далеко зашел; чаще всего оно снижает движущую силу процесса и ухудшает его показатели.
Поперечное перемешивание возникает либо под действием пе-ешивающих устройств (мешалок, устройств для барботажа и др., либо под влиянием турбулентных пульсаций скорости, а также из-за наличия зон циркуляции.
Те же факторы вызывают и продольное перемешивание, но в этом случае, как правило, появляется еще сильно влияющий фактор неравномерность распределения скоростей: т.е частицы, которые вследствие большей скорости ушли вперед, смешиваются с впередидущими, отставшие — с нагоняющими их сзади. Очень часто именно эта неравномерность вносит основной вклад в продольное перемешивание. В ламинарном потоке оно может оказаться существенно большим, чем в турбулентном. Так, при течении капельной жидкости в трубе переход от ламинарного режима (Re = 2000) к турбулентному режиму (Re= 100000) приводит к уменьшению скорости продольного перемешивания на несколько порядков.
Неравномерность времени пребывания — явление, в значительной мере эквивалентное продольному перемешиванию. Для частиц, уходящих вперед, время пребывания — меньше среднего. Отстающие частицы характеризуются большим временем пребывания.
Это значение получается усреднением времен пребывания разных частиц. Может показаться, что учитывать неравномерность времени пребывания не обязательно: в частицах с малым временем пребывания реакция пройдет недостаточно глубоко, зато в частицах, долго находящихся в рабочей зоне, глубина протекания велика. На выходе частицы взаимно перемешиваются, и степень превращения усредняется. Возникает вопрос, нужно ли учитывать неравномерность времени пребывания частиц? Оказывается, при одном и том же среднем времени пребывания различные степени неравномерности дадут разные результаты.
Пример Связь между неравномерностью времени пребывания и степенью превращения.
Рассмотрим цех, в котором работают 100 совершенно одинаковых рабочих. Длительность рабочего дня 8 ч. Однажды рабочие предложили изменить режим работы: пусть половина рабочих работает по 4 ч (имеет свободные полдня), а другая половина отрабатывает за товарищей, работая по 12 ч. В среднем вое равно получится по 8 ч на человека. Повысится или понизится производительность труда, если принять это предложение?
Нетрудно сообразить, что понизится. Действительно, 50 рабочих уйдут из цеха не устав, а другие 50 будут за них работать после того, как они отработали восьмичасовую смену. От усталости их работоспособность снизится.
Аналогично ведет себя химическая реакция при неравномерном времени» пребывания. Частицы с малым временем пребывания выносят из аппарата много непрореагировавшего вещества, что снижает степень превращения. Правда, в частицах, долго находившихся в аппарате, реакция проходит очень глубоко. Но скорость большинства реакций падает во времени В этих частицах скорость реакции уже столь мала, что увеличение времени пребывания слабо сказывается на превращении. Проигрыш за счет быстро «проскочивших» через аппарат частиц не компенсируется выигрышем за счет частиц, задерживающихся в нем.