ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Капли из "Массопередача" Устройство, предназначенное для проведения массообмена между двумя жидкостями, как например при экстракции, можно сделать вполне компактным, если одну жидкость диспергировать в другой в виде небольших капель. Достоинство указанного устройства в этом случае состоит в том, что создается очень большая поверхность контакта между двумя фазами. По той же причине эффективны жидкие струи в газах, и их обычно используют при абсорбции газа, увлажнении и сушке распылением. Однако обычно возникают трудности при проектировании подобного оборудования, в котором обеспечивался бы эффективный противоток двух фаз. [c.257] Одна из жидкостей может быть введена в другую жидкость подачей ее через сопла или пористые пластины, в результате чего образуются капли в общем случае размерами от 1 до 6 мм, которые поднимаются или опускаются во второй (сплошной) фазе. При механических способах диспергирования получают капли значительно меньших размеров. [c.257] Обширным исследованиям была подвергнута массоотдача от единичных капель, поднимающихся или опускающихся во второй жидкости. Значительно меньше опубликовано данных по распылительным колоннам, в которых образуются рои или облака из капель, и по жидкостной экстракции в сосудах с мешалками. Установлено, что механика движения капель и явления массообмена довольно сложны, и имеющаяся обширная литература может служить для инженерных расчетов только полуколичественной основой. Сводка результатов работ, относящихся как к механике капель, так и к массообмену, содержится в очень хорошем обзоре Хиртьеса и Денайя [89]. [c.257] С Практически постоянной ско-ростью коалесценции капель на конце трубы с одновременным, опять-таки, протеканием массообмена. В некоторых случаях эти периоды выделяют и изучают раздельно. [c.258] В этом уравнении йр — конечный размер капли и tf — время ее образования. Хиртьес и Денай [88] получили аналогичный результат для случая непрерывного образования последовательности капель. [c.258] С ростом размера капли предельная скорость ее 11т достигает максимума и затем медленно уменьшается. Кроме того, с увеличением размера капель до значения, при котором скорость 11т максимальна, форма капли искажается и колеблется от сжатого до вытянутого сфероида или капля принимает неправильную форму. Капли значительных размеров часто имеют углубления на кормовой поверхности. Капли еще больших размеров стремятся к распаду с образованием двух и нескольких капель меньших размеров. [c.259] Хю и Кинтнер [102] опубликовали обширные данные по скоростям капель и предложили корреляционную зависимость, содержащую безразмерные группы коэффициент лобового сопротивления, число Рейнольдса и Вебера и группу, отражающую физические свойства . Явления сложной природы, относящиеся к механике движения капель, описаны в очень хорошем обзоре Кинтнера [122], который имеет непосредственное отношение к жидкостной экстракции. [c.259] Скорости диффузии в каплях зависят от характера переноса, протекающего как за счет молекулярного движения, так и вследствие перемешивания жидкости. Очень маленькие капли в основном неподвижны, и перепое в них осуществляется за счет молекулярной диффузии. В каплях промежуточных размеров возникает ламинарная тороидальная внутренняя циркуляция, которая уменьшает длину пробега в процессе молекулярной диффузии. В случае очень больших капель вместо ламинарной циркуляции наблюдается гидродинамический режим, который, по-видимому, похож на весьма интенсивное внутреннее перемешивание, вызванное эффектом колебания поверхности капли. Подавляющая часть известных сведений о циркуляции в каплях почерпнута из серии исследований, выполненных Гарнером с сотр. (см. например, работы [62, 64, 67, 68, 69, 70]). [c.259] Значения А в функции от Wt/dp приведены в табл. 3.2. Предполагается, что это уравнение применимо к процессу массопередачи в тех случаях, когда отсутствует поверхностное сопротивление ( барьер ), а сопротивление в сплошной фазе незначительно. Уравнение содержит ограничение в том смысле, что колебания формы капли и внутренняя циркуляция всегда сопровождаются ростом скорости диффузии в сравнении со скоростью ее в невозмущенной капле. Верхняя пунктирная кривая, показанная на рис. 6.12, характеризует уравнение (6.22) для условий опытов по растворению капель уксусной кислоты в воде, о которых сообщают Личт и Пэнсинг. Видно, что скорость экстракции в реальных условиях в несколько раз превышала скорость, рассчитанную указанным способом, и она типична для всей совокупности капель, исключая самые маленькие. [c.260] Влияние циркуляции внутри капли на скорость диффузии было предметом изучения во многих аналитических исследованиях. Адамар [83] описал поле скоростей в потоке, а Крониг и Бринк [125] с помощью диффузионного уравнения нашли выражение, связывающее А с Dtldp. [c.261] В большинстве систем можно ожидать, что осцилляция формы капли начнется при значениях чисел Рейнольдса для капли, превышающих 500—1000 однако более точный критерий не известен. В чистых системах колебанию способствуют высокая скорость капли, большой диаметр, низкое межфазное натяжение и малая вязкость веществ, образующих каплю. Параметр R, равный отношению коэффициентов эффективной и молекулярной диффузии, по-видимому, лежит в диапазоне от 1 до 4 в случае капель с внутренней циркуляцией, но становится равным 10 или более для осциллирующих капель. Колеблющаяся капля обладает низким сопротивлением в отношении внутренней диффузии, но одновременно она характеризуется значительным отклонением от сферической формы. [c.261] Циркуляция, возникающая в чистых системах для капель промежуточных размеров, приводит к повышению коэффициента массоотдачи к, сплошной фазы по двум причинам здесь предельная скорость выше, чем у жестких капель, и массообмену способствует скольжение поверхности капли (пограничный слой делается тоньше, не говоря уже о повышении предельной скорости). (См., кроме того, работу [204].) Колебания капель больших размеров снижают предельную скорость в сопоставлении с той, которая свойственна сферическим каплям, но вызывают увеличение отношения поверхности к объему. О повышении в несколько раз коэффициента массоотдачи в сплошной фазе в случае капель средних размеров по сравнению с твердыми сферическими частицами, свидетельствуют некоторые данные [12, 70, 78, 212], показанные на рис. 6.13. [c.263] Значительный объем информации, посвященной как теоретическому, так и экспериментальному изучению роли сопротивления в сплошной фазе, отражен в очень хорошем обзоре Сайдемана и Шабитаи [190]. [c.263] Подавляющая часть данных, которыми определяется корреляционная зависимость, показанная на рис. 6.9, получена при испарении капель в потоке газов, и указанный график полезен для оценки кс в сплошной фазе. В большинстве систем основными переменными являются размер капли и ее относительная скорость при этом обычно 5с = 0,6—2,6. В противоположность системам жидкость—жидкость на диффузионный потенциал при фиксированном составе газа, а следовательно, и на скорость переноса большое влияние оказывает полное давление. При свободном падении в воздухе капля воды размером более 8—10 мм деформируются в такой степени, что возможен ее распад. Результаты измерения скоростей испарения маленьких капель диаметром менее 1 мкм опубликованы Девисом и Хорбаджианом [37а]. [c.264] Массообмен внутри капель ускоряется внутренней циркуляцией, возникающей под воздействием касательных сил на поверхности газ—жидкость. Циркуляция оказывает слабое влияние на процесс испарения чистой жидкости, однако она существенна при абсорбции или десорбции слабо растворимого газа. В своих ранних исследованиях Уитман, Лонг и Уэнг [216] и Хатта и Баба [86] показали, что абсорбция СОа падающими каплями воды размером 5 мм, протекает на 50—70 % интенсивнее, чем этого можно было ожидать из рассмотрения нестационарной молекулярной диффузии в сферические частицы. Аналогичные результаты получили Гарнер и Лейн [67] для абсорбции СО2 каплями различных жидкостей, удерживаемыми в аэродинамической трубе, и Констан и Кальверт [32] для абсорбции ЗОа неподвижными каплями глицерина или гликолей. В случае вязких жидкостей циркуляция была небольшой или отсутствовала. [c.264] Предельные скорости движения капель в газах чрезвычайно велики, а время контакта в большинстве массообменных устройств распылительного типа очень мало. Несмотря на большое значение отношения поверхности к объему, равновесие при низкой растворимости обычно полностью не достигается. Капли воды диаметром 5,5 мм, свободно падающие в слое СО2 высотой 52 см (за время 0,326 с), оказались насыщенными только на 22 % [216]. Для более вязких гликолей насыщение при аналогичных условиях составляет лишь 6—8 % [32]. [c.264] Капли представляют технический интерес главным образом из-за того, что при диспергировании в устройстве малого объема можно развить довольно высокую поверхность контакта фаз. Изучение единичных капель проводят с целью уяснения механизма явлений массообмена, и они привлекают ограниченное внимание инженеров, исключая важный случай выбора типа массообменного устройства. [c.265] Вернуться к основной статье