Введение

Механизм, встречающийся в природе и имитируемый в промышленности и технике. Противоточное тепло- или массообмен – это механизм, встречающийся в природе и имитируемый в промышленности и технике, при котором происходит обмен каким-либо свойством, обычно теплом или химическим веществом, между двумя потоками, движущимися в противоположных направлениях друг к другу. Потоки могут быть жидкостями, газами или даже твердыми порошками, или любой их комбинацией. Например, в дистилляционной колонне пар поднимается вверх через опускающуюся жидкость, одновременно осуществляя тепло- и массообмен. Максимальный объем тепло- или массообмена, который можно получить, выше при противоточном, чем при прямоточном (параллельном) обмене, поскольку противоток поддерживает медленно уменьшающуюся разницу или градиент (обычно разность температур или концентраций). При прямоточном обмене начальный градиент выше, но быстро снижается, что приводит к потере потенциала. Например, на прилегающей схеме жидкость, подвергающаяся нагреву (выходящая сверху), имеет более высокую выходную температуру, чем охлажденная жидкость (выходящая снизу), которая использовалась для нагрева. При прямоточном или параллельном обмене нагреваемые и охлаждаемые жидкости могут лишь сближаться друг с другом. В результате противоточное тепло- или массообмен может достичь большего объема передачи тепла или массы, чем параллельный, при прочих равных условиях. См. схему организации потока. Противоточное тепло- или массообмен, организованный в контур или петлю, может использоваться для повышения концентрации, тепла или других свойств текучих жидкостей. В частности, при организации в петлю с буферной жидкостью между входящим и выходящим потоками, циркулирующими в контуре, и с активными транспортными насосами на трубопроводах выходящего потока, система называется противоточным мультипликатором, позволяющим множественному эффекту множества небольших насосов постепенно наращивать высокую концентрацию в буферной жидкости. Другие контуры противоточного тепло- или массообмена, где входящие и выходящие потоки соприкасаются друг с другом, используются для поддержания высокой концентрации растворенного вещества или для удержания тепла, или для обеспечения внешнего накопления тепла или концентрации в одной точке системы. Противоточные контуры или петли широко распространены в природе, особенно в биологических системах. У позвоночных они называются rete mirabile, изначально – название органа в жабрах рыб для поглощения кислорода из воды. Этот принцип имитируется в промышленных системах. Противоточное тепло- или массообмен является ключевым понятием в химической инженерной термодинамике и производственных процессах, например, при извлечении сахарозы из корней сахарной свеклы. Противоточное умножение – это схожая, но отличная концепция, при которой жидкость движется в петле, за которой следует длительный участок движения в противоположных направлениях с промежуточной зоной. Трубопровод, ведущий к петле, пассивно создает градиент тепла (или охлаждения) или концентрации растворителя, в то время как возвратный трубопровод имеет постоянное небольшое насосное действие по всей его длине, что обеспечивает постепенное усиление тепла или концентрации в направлении петли. Противоточное умножение обнаружено в почках, а также во многих других биологических органах.

Три существующие системы обмена

Обмен противотока и обмен сотока — это два механизма, используемые для передачи какого-либо свойства жидкости от одного потока жидкости к другому через барьер, обеспечивающий однонаправленный перенос этого свойства между ними. Передаваемым свойством может быть тепло, концентрация химического вещества или другие характеристики потока. При передаче тепла между двумя трубками используется теплопроводящая мембрана, а при передаче концентрации химического вещества — полупроницаемая мембрана.

Кокстренный поток половина передачи

В механизме теплообмена при сонаправленном течении два теплоносителя движутся в одном направлении. Как показано на схеме механизмов теплообмена при сонаправленном и противоточном течении, система сонаправленного теплообмена характеризуется переменным градиентом вдоль длины теплообменника. При равных расходах теплоносителей в двух каналах, данный метод теплообмена способен передать только половину определяемого свойства от одного теплоносителя к другому, вне зависимости от длины теплообменника. Если каждый теплоноситель изменяет свое свойство так, чтобы стать на 50% ближе к входному состоянию противоположного теплоносителя, то теплообмен прекратится при достижении точки равновесия, когда градиент снизится до нуля. В случае неравных расходов, состояние равновесия наступит несколько ближе к условиям теплоносителя с большим расходом.

Примеры кокструнного потока

Сопутствующий теплообменник является примером механизма сопутствующего обмена потоком. В двух трубах жидкость течет в одном направлении. Одна труба начинается с горячей жидкостью при 60 °C, а вторая – с холодной при 20 °C. Термопроводящая мембрана или открытый участок обеспечивает передачу тепла между двумя потоками. Горячая жидкость нагревает холодную, а холодная жидкость охлаждает горячую. В результате достигается тепловое равновесие: обе жидкости в конечном итоге оказываются примерно при одной и той же температуре – 40 °C, почти точно посередине между двумя исходными температурами (20 и 60 °C). На входном конце наблюдается большая разница температур в 40 °C и интенсивный теплообмен; на выходном конце разница температур очень мала (обе жидкости находятся при температуре 40 °C или близко к ней), и теплообмен либо незначителен, либо отсутствует. Если равновесие, при котором обе трубы достигают одинаковой температуры, наступает до выхода жидкости из труб, дальнейшая передача тепла по оставшейся длине труб не происходит. Аналогичным примером является сопутствующий обмен концентрацией. Система состоит из двух труб: одна содержит рассол (концентрированный соленый раствор), другая – пресную воду (с низкой концентрацией соли), а также полупроницаемую мембрану, которая пропускает только воду между ними в процессе осмоса. Многие молекулы воды переходят из потока пресной воды для разбавления рассола, при этом концентрация соли в пресной воде постоянно увеличивается (поскольку соль не покидает этот поток, а вода – покидает). Этот процесс продолжается до тех пор, пока оба потока не достигнут схожего разбавления, с концентрацией, близкой к середине между двумя исходными концентрациями. После этого переток между двумя трубами прекратится, поскольку оба потока будут иметь одинаковое разбавление и осмотическое давление исчезнет.

Противопоток почти полный

В противоточном движении два потока перемещаются в противоположных направлениях. В двух трубах жидкость течет навстречу друг другу, передавая какое-либо свойство от одной трубы к другой. Например, это может быть передача тепла от горячего потока жидкости к холодному, или передача концентрации растворенного вещества из потока жидкости с высокой концентрацией в поток с низкой концентрацией. Система противоточного обмена может поддерживать почти постоянный градиент между двумя потоками на протяжении всей длины их контакта. При достаточной длине и достаточно низкой скорости потока это может привести к передаче почти всего количества этого свойства. Таким образом, например, в случае теплообмена, выходящая жидкость будет почти такой же температуры, как и первоначально входящая жидкость.

Примеры контрастного потока

В противотоковом теплообменнике горячая жидкость остывает, а холодная нагревается. В этом примере горячая вода при 60 °C поступает в верхнюю трубу. Она нагревает воду в нижней трубе, которая уже была подогрета по ходу движения, почти до 60 °C. Небольшая, но существующая разница температур сохраняется, и происходит передача небольшого количества тепла, в результате чего вода, выходящая из нижней трубы, имеет температуру близкую к 60 °C. Поскольку горячая вода на входе имеет максимальную температуру 60 °C, а выходящая вода из нижней трубы лишь почти достигает этой температуры, вода в верхней трубе может нагреть воду в нижней трубе почти до собственной температуры. На холодном конце – выход воды из верхней трубы – поскольку холодная вода, поступающая в нижнюю трубу, все еще остается холодной при 20 °C, она может извлечь остатки тепла из уже остывшей горячей воды в верхней трубе, понижая ее температуру почти до уровня холодной входной жидкости (21 °C). В итоге, верхняя труба, получившая горячую воду, теперь выпускает холодную воду при 20 °C, а нижняя труба, получившая холодную воду, теперь выпускает горячую воду при температуре около 60 °C. Фактически, большая часть тепла была передана.

Условия для более высоких результатов перевода

Почти полная передача в системах, реализующих противоточное взаимодействие, возможна только в том случае, если два потока в определенном смысле "эквивалентны". Для максимальной передачи концентрации вещества требуется равная скорость потока растворителей и растворов. Для максимальной теплопередачи средняя удельная теплоемкость и массовый расход должны быть одинаковыми для каждого потока. Если два потока не эквивалентны, например, при передаче тепла от воды к воздуху или наоборот, то, подобно системам прямоточного обмена, следует ожидать изменения градиента из-за накопления свойства, которое передается неэффективно.

Контрточный обмен в биологических системах

Обмен противотока широко используется в биологических системах для самых разных целей. Например, рыбы используют его в жабрах для переноса кислорода из окружающей воды в кровь, а птицы – для сохранения тепла в теле, используя противоточный теплообменник между кровеносными сосудами в ногах. У позвоночных этот тип органа называется rete mirabile (первоначально это название органа в жабрах рыб). Почки млекопитающих используют обмен противотока для извлечения воды из мочи, позволяя организму удерживать воду, необходимую для выведения азотистых отходов (см. противоточный мультипликатор).

Противопоточная цикл умножения

Противоточное умножение – это система, в которой жидкость циркулирует по замкнутому контуру, так что вход и выход характеризуются схожей низкой концентрацией растворенного вещества, а на противоположном конце контура достигается высокая концентрация этого вещества. Буферная жидкость, расположенная между входящей и выходящей трубками, принимает концентрированное вещество. Входящая и выходящая трубки не соприкасаются. Система обеспечивает постепенное накопление высокой концентрации за счет естественного увеличения концентрации к концу входящей трубки (например, посредством осмоса воды из входной трубы в буферную жидкость) и работы множества активных транспортных насосов, каждый из которых перекачивает вещество против очень небольшого градиента при выходе из контура, возвращая концентрацию в выходной трубке к исходному значению. Входящий поток, начинающийся с низкой концентрации, имеет полупроницаемую мембрану, через которую вода переходит в буферную жидкость посредством осмоса при небольшом градиенте. Внутри контура происходит постепенное увеличение концентрации до достижения максимума на его конце. Теоретически, аналогичная система может существовать или быть создана для теплообмена. В примере, представленном на изображении, вода поступает с концентрацией 299 мг/л (NaCl/H2O). Вода переходит в буферную жидкость под действием небольшого осмотического давления, в данном случае, при концентрации 300 мг/л (NaCl/H2O). Дальше по контуру продолжается поток воды из трубки в буфер, постепенно повышая концентрацию NaCl в трубке до 1199 мг/л на конце. Буферная жидкость между двумя трубками имеет постепенно возрастающую концентрацию, всегда немного превышающую концентрацию поступающей жидкости, в данном примере достигая 1200 мг/л. Это регулируется работой насосов на выходящей трубке, что будет объяснено далее. На конце контура наблюдается максимальная концентрация соли (NaCl) во входящей трубке – в данном примере 1199 мг/л, а в буфере – 1200 мг/л. Выходящая трубка оснащена активными транспортными насосами, перекачивающими соль в буферную жидкость при небольшой разнице концентраций, не превышающей 200 мг/л по сравнению с концентрацией в трубке. Таким образом, напротив участка буферной жидкости с концентрацией 1000 мг/л, концентрация в трубке составляет 800 мг/л, и необходимо перекачать только 200 мг/л. Аналогичная ситуация наблюдается в любой точке контура, поэтому на выходе из контура также требуется перекачать лишь 200 мг/л. По сути, это можно рассматривать как постепенно усиливающийся эффект – отсюда и название явления: «противоточное умножение» или механизм «противоточное умножение». Однако, в современных инженерных терминах, противоточное умножение – это любой процесс, требующий незначительных затрат энергии на перекачку благодаря постоянной небольшой разнице концентрации или температуры на протяжении процесса, постепенно возрастающей до максимума. Буферная жидкость не требуется, если желаемым результатом является получение высокой концентрации в выходной трубке.

История

Первоначально механизм противоточного обмена и его свойства были предложены в 1951 году профессором Вернером Куном и двумя его бывшими студентами, которые назвали механизм, обнаруженный в петле Генле в почках млекопитающих, "противоточным мультипликатором" и подтвердили лабораторными данными в 1958 году профессор Карл В. Готтшалк. Теория получила признание годом позже, после детального исследования, показавшего, что осмотическое различие между жидкостями по обе стороны нефронов практически отсутствует. Гомер Смит, видный современный специалист по физиологии почек, возражал против модели противоточной концентрации в течение 8 лет, пока не изменил свою позицию в 1959 году. С тех пор в биологических системах было обнаружено множество подобных механизмов, наиболее известным из которых является rete mirabile у рыб.

Контрточный обмен тепла в организмах

В холодную погоду приток крови к конечностям птиц и млекопитающих снижается под воздействием холодных условий окружающей среды и возвращается в туловище через глубокие вены, расположенные рядом с артериями (образуя venae comitantes). Это действует как система противоточного обмена, которая напрямую передает тепло из артериальной крови в венозную кровь, возвращающуюся в туловище, минимизируя потерю тепла конечностями в холодную погоду. Солевыделительная железа обнаружена у морских птиц, таких как пеликаны, буревестники, альбатросы, чайки и крачки. Она также найдена у намибийских страусов и других пустынных птиц, где накопление солей связано с обезвоживанием и недостатком питьевой воды. У морских птиц солевая железа расположена над клювом, ведет к основному каналу над клювом, и вода выдувается из двух небольших ноздрей на клюве для ее опорожнения. Солевая железа содержит два механизма противоточного обмена:

a. Система извлечения соли с механизмом противоточного умножения, при которой соль активно перекачивается из венол (мелких вен) в канальцы железы. Несмотря на то, что жидкость в канальцах имеет более высокую концентрацию соли, чем кровь, поток организован таким образом, чтобы кровь с высокой концентрацией соли поступала в систему рядом с местом выхода канальцев железы и их соединением с основным каналом. Таким образом, по всей железе существует небольшой градиент, который необходимо преодолеть, чтобы перекачать соль из крови в соленую жидкость посредством активного транспорта, обеспечиваемого АТФ. b. Система кровоснабжения железы организована по принципу противоточного обмена для поддержания высокой концентрации соли в крови железы, предотвращая ее возврат в кровеносную систему. Эти железы эффективно удаляют соль, позволяя птицам пить соленую воду из окружающей среды, находясь за сотни километров от суши.

Контртекущий обмен в промышленности и научных исследованиях

Противоточное хроматографирование – это метод разделения, основанный на дифференциальном распределении аналитов между двумя несмешивающимися жидкостями с использованием противоточного или сонаправленного потока. Развиваясь из распределения по противотоку Крейга (CCD), наиболее распространенным термином и аббревиатурой является противоточное хроматографирование или CCC, особенно при использовании гидродинамических CCC-инструментов. Термин «хроматография распределения» в значительной степени является синонимом и преимущественно используется для гидростатических CCC-инструментов. Дистилляция химических веществ, например, при переработке нефти, осуществляется в башнях или колоннах с перфорированными тарелками. Пары низкокипящих фракций поднимаются в виде пузырьков через отверстия в тарелках, контактируя с нисходящим потоком высококипящих фракций. Концентрация низкокипящей фракции увеличивается на каждой тарелке по мере подъема по башне, поскольку она "вымывается". Низкокипящая фракция отбирается сверху башни, а высококипящая – снизу. Процесс на тарелках представляет собой комбинацию теплопередачи и массопереноса. Тепло подается снизу, в так называемый "ребойлер", а охлаждение осуществляется конденсатором наверху. Экстракция жидкость-жидкость (также называемая «экстракция растворителем» или «распределение») – распространенный метод извлечения вещества из одной жидкости в другую жидкость, находящуюся в другой «фазе» (например, в «суспензии»). Этот метод, реализующий противоточный механизм, используется в ядерной переработке, обогащении руд, производстве тонких органических соединений, переработке парфюмерии, производстве растительных масел и биодизельного топлива, а также в других отраслях промышленности. Золото можно отделять от цианидного раствора с помощью процесса Меррилла-Кроу с использованием противоточного декантирования (CCD). На некоторых рудниках никель и кобальт обрабатываются с помощью CCD после обработки исходной руды концентрированной серной кислотой и паром в титановых автоклавах, в результате чего образуется никель-кобальтовая суспензия. Никель и кобальт из суспензии почти полностью удаляются с помощью CCD-системы, заменяя кобальт и никель водой, нагретой вспышечным паром. Известь можно производить в противоточных печах, позволяющих достигать высоких температур с использованием недорогого топлива с низкой температурой горения. Исторически это было разработано японцами в некоторых типах печи Анагама. Печь строится поэтапно, при этом свежий воздух, поступающий к топливу, подается вниз, а дым и тепло выталкиваются вверх и наружу. Тепло не покидает печь, а возвращается во входящий воздух, таким образом медленно повышая температуру до 3000 °C и выше. Цемент может быть получен с использованием противоточной печи, где тепло проходит через цемент и отходящие газы, а входящий воздушный поток проходит вдоль обоих, поглощая тепло и удерживая его внутри печи, в конечном итоге достигая высоких температур. Газификация: процесс получения метана и монооксида углерода из органических или ископаемых веществ, может быть выполнена с использованием противоточного реактора с неподвижным слоем («восходящий») – газификатора, который построен аналогично печи Анагама и, следовательно, должен выдерживать более жесткие условия, но достигает более высокой эффективности. На атомных электростанциях вода, покидающая станцию, не должна содержать даже следовых количеств урана. В некоторых установках для извлечения воды, полностью свободной от урана, используется система противоточного декантирования (CCD). Центрифуги типа "Зиппе" используют противоточное умножение между восходящими и нисходящими конвекционными потоками для уменьшения количества стадий, необходимых в каскаде. Некоторые центробежные экстракторы используют противоточные механизмы обмена для извлечения высоких скоростей целевого материала. Некоторые белковые скиммеры (устройства, используемые для очистки соленой воды в бассейнах и прудах с рыбой от органических веществ) используют противоточные технологии. Противоточные процессы также использовались для изучения поведения мелких животных и выделения особей с измененным поведением из-за генетических мутаций.