В.И. Нахипова, Б.Ч. Балабеков

Южно-Казахстанский госуниверситет имени М.О.Ауезова

гидродинамические процессы при движении капель в насадочном слое химического аппарата

Изучение тепломассопереноса, движения, а также взаимодействия капель с окружающей газовой средой является основой для расчета многих процессов химической технологии, например таких, как экстракция, абсорбция, испарение и конденсация [1]. При работе многих различных химических аппаратов возникает унос жидкости в виде капель который в значительной степени воздействует на эффективность тепломассопереноса. В пленочных аппаратах при больших скоростях газа брызгоунос возникает в нижней части пленки жидкости, где образуется утолщение пленки. При нисходящем и восходящем прямотоке количество жидкости, уносимой с единицы периметра орошения, определяется по формуле:

(1)

где безразмерный параметр

(2)

характеризует переход к режиму брызгоуноса: он происходит при некоторой критической скорости газа, которой соответствует критическое значение параметра P. В насадочных абсорберах брызгоунос возникает при срыве капель газом с поверхности жидкости, стекающей по насадке, также унос капель возникает в наднасадочном пространстве как результат воздействия газового потока на струи жидкости, вытекающей из оросителя. Для барботажных аппаратов для изучения генерации капель и брызгоуноса предложены два механизма образования капель. В первом случае при малых скоростях газа капли образуются за счет разрыва пузырьков, а во втором - из-за дробления жидкости газовым потоком с большой скоростью. Вследствие этого на экспериментальной зависимости относительного уноса от скорости газа отчетливо выражены два различных участка, соответствующие барботажному и струйному режиму работы тарелки. Во второй области относительный унос жидкости аппроксимируется следующим соотношением:

(3)

Для первой области показатель степени в (3) меньше. Далее рассмотрим основные аналитические результаты, касающиеся движения одиночной капли жидкости. Установившаяся скорость витания капли жидкости в газе для случая очень малых чисел Рейнольдса по газу, т.е.

(4)

определяется по формуле Адамара - Рыбчинского:

(5)

а коэффициент сопротивления капли находится из выражения:

(6)

здесь введено обозначение z=m_ж/m_г. На поверхности капли жидкость движется со скоростью:

(7)

где (v_q) - компонента скорости в сферической системе координат с началом в центре капли. При числах Рейнольдса порядка Re µ 1 было получено следующее асимптотическое разложение для коэффициента сопротивления капли:

(8)

Тогда установившаяся скорость капли равна:

(9)

Для диапазона чисел Рейнольдса 2<Re_г<50 на основе численных расчетов получена следующая аппроксимационная формула для коэффициента сопротивления капли:

(10)

Для этого же диапазона чисел Рейнольдса предложено выражение

(11)

здесь x(0, Re_г) является коэффициентом сопротивления сферического пузыря и определяется по формуле:

(12)

а x(¥, Re_г)- коэффициент сопротивления твердой сферической частицы, вычисляемый по формуле:

(13)

Установившуюся скорость капли находят по формуле (9), подставляя значение x из (10) или (11). В диапазоне 50<Re_г<300 применяют методы, основанные на теории пограничного слоя. С их помощью было получено следующее выражение для коэффициента сопротивления капли:

(14)

Значения постоянных B₁ и B₂ для различных жидкостей и газов приведены в таблице 2. Течение внутри капли представляет собой тороидальный вихрь, называемый вихрем Хилла. Компоненты скорости для вихря Хилла при Re_г >2.5:

(15)

Таблица 2

Значения постоянных B₁ и B₂ в уравнении (14)

	25	4,0	1,0	0,25	0,04
B1	-0.429	-0.457	-0.46	-0.446	-0.434
B2	0.00202	0.0062	0.01	0.0113	0.00842

Для величины v_max имеют место следующие оценки:

(16)

Таким образом, показано, что рассмотренные гидродинамические явления, протекающие при различных химико-технологических процессах, в значительной степени воздействуют на эффективность тепломассопереноса в химических реакторах.

Литература

1. Рамм В.М. Абсорбция газов. – 6-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1986 г. – 656 с.