ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Элементы гидродинамики двухфазных потоков из "Основные процессы и аппараты химической технологии Издание 8" Многие процессы химической технологии проводятся при движении через трубопроводы и аппараты двухфазных потоков. В этих потоках одна из фаз обычно является дисперсной, а другая — сплошной, или дисперсионной, причем первая распределена в объеме второй в виде частиц, капель, пузырей, пленок и т. п. Взаимное направление движения обеих фаз в потоке может быть различным. Например, движение твердых частиц и потока газа при пневмотранспорте, пузырей пара и кипящей жидкости в вертикальных трубках выпарных аппаратов с естественной циркуляцией (см. главу IX) направлено в одну сторону, т. е. является прямоточным. Во многих других случаях фазы движутся в противоположных направлениях, т. е. их движение п р о т и в о -точное. При противотоке фаз осуществляется, в частности, взаимодействие пленок стекающей вниз жидкости с восходящими потоками газа или пара в пленочных или насадочных абсорбционных и ректификационных колоннах, взаимодействие капель с потоком другой жидкости (сплошной фазой) в полых или насадочных колонных экстракторах (см. главы XI и XII) и т. д. Картина взаимного движения фаз в аппарате в целом ил на отдельных его участках часто более сложная, чем при прямотоке ил противотоке, например в аппаратах с псевдоожиженным слоем или на тарелках массообменных аппаратов при барботаже (см. главу XI). [c.114] В двухфазных потоках, кроме границы раздела между сплошной фазой и стенками трубопровода или аппарата, имеется другая граница,. [c.114] Основное различие механизмов движения двухфазных потоков первого и второго рода состоит в том, что твердые частицы в таких процессах, как осаждение, псевдоожижение, пневмотранспорт, практически не меняют своей формы и массы, в то время как элементы дисперсных фаз в потоках систем газ — жидкость и жидкость— жидкость (пузыри, капли, пленки) обычно меняют при движении свою форму (из-за подвижности границы раздела фаз), а часто и массу (вследствие слияния или дробления отдельных пузырей и капель). [c.115] Гидродинамические характеристики двухфазных потоков первого рода были рассмотрены выше. [c.115] Математическое описание движения систем газ — жидкость и жидкость — жидкость и получение уравнений для гидравлического расчета аппаратов, в которых они движутся, является значительно более сложным, чем для однофазных потоков. Поэтому приходится обычно использовать экспериментальный путь изучения двухфазных потоков, проводя опыты на моделях и обобщая результаты экспериментов. Одна из главных трудностей таких исследований связана с тем, что характеристики течения каждой фазы во многих случаях зависят от условий течения другой фазы. [c.115] Критерий /е является мерой отношения сил инерции к силам межфазного натяжения и характеризует постоянство этого отношения в сходственных точках подобных потоков. Кроме того, при описании поведения двухфазных систем часто оказывается необходимым использование дополнительных симплексов, характеризующих отношения свойств обеих фаз, например рх/ра, 1/112 и др. [c.115] Гидравлические характеристики газо-жидкостных потоков в аппаратах различных типов, а также уравнения для гидравлического расчета этих аппаратов будут приведены в соответствующих главах. Здесь же в качестве примера кратко рассмотрим физическую картину и основные характеристики двух распространенных в промышленности процессов барботажа газа (пара) сквозь жидкость и пленочного течения жидкости, соприкасающейся с газом (паром). [c.115] Барботаж. При барботаже газа (пара) сквозь жидкость газовая фаза, распределяемая через отверстия различных устройств, диспергируется в последней в виде пузырей. Возникающую при этом дисперсию называют пеной. Такая пена является нестабильной и разрушается сразу же после прекращения подачи газа. Стабильные пены могут образовываться лишь при добавлении к жидкости поверхностно-активных веществ. [c.115] Пена может быть охарактеризована газосодержанием и удельной поверхностью контакта газа и жидкости. [c.115] Под газосодержанием (г азонаполнением) понимают долю объема е газовой фазы в общем объеме пены. Эту величину можно определить с помощью измерения общего объема пены и объема светлой жидкости (последний измеряют после прекращения подачи газа). [c.116] Удельной поверхностью а (м /м ) называют поверхность фазового контакта между газом и жидкостью в единице объема пены. [c.116] Если газ распределяется в жидкости, проходя через одиночное отверстие, то при относительно небольшом расходе он барботирует сквозь жидкость в виде отдельных свободно всплывающих пузырей (свободное движение). [c.116] Вычислим диаметр d пузыря в момент его отрыва. Обозначим через do диаметр отверстия, Рж и Рг — плотности жидкости и газа соответственно и ст — поверхностное натяжение. [c.116] Из уравнения (П,142) следует, что при свободном движении диаметр пузыря не зависит от расхода газа, а определяется диаметром отверстия и физическими свойствами жидкости. С увеличением расхода газа У ,ек возрастает лишь количество пузырей, отрывающихся в единицу времени, или частота отрыва, равная сек . [c.116] Когда расход газа достигает критического значения F p, последовательно образующиеся у отверстия пузыри не успевают оторваться один от другого и движутся в виде цепочки, соприкасаясь друг с другом. [c.116] Закономерности движения пузырей большего диаметра будут отличаться от указанных выше закономерностей движения пузырей по следующей причине. На пузырь газа (пара), всплывающий в жидкости, действуют три силы подъемная (архимедова) сила, сила сопротивления окружающей жидкости и сила поверхностного натяжения. Благодаря действию силы поверхностного натяжения пузырь стремится сохранять шарообразную форму, причем, чем меньше пузырь, тем больше сила поверхностного натяжения и тем устойчивее шарообразная форма пузыря. С увеличением размера пузыря из-за неравномерности давления по окружности пузырь все больше деформируется, отклоняясь по форме от шара. Для больших пузырей влияние поверхностного натяжения становится малым по сравнению с динамическим воздействием жидкой среды, и пузырь приобретает неустойчивую форму (рис. 11-34) сначала эллипсоидальную (при =1—5 мм), а затем грибообразную (при с 5 мм). Изменение формы больших пузырей во времени при их всплывании приводит к колебаниям скорости движения пузырей и отклонениям направления их движения от вертикального. Движение таких пузырей иногда происходит по спиральным траекториям. [c.117] Картина массового барботажа в промышленных аппаратах при истечении газа из многих отверстий значительно сложнее описанной выше. Это связано с тем, что пузыри всплывают не свободно, а стесненно, воздействуя друг на друга, иногда сливаясь один с другим (явление к о -алесценции) или дробясь на более мелкие пузыри и т. д. Анализ различных гидродинамических режимов и расчетные зависимости для массового барботажа приведены в главе XI применителы о к тарельчатым массообменным аппаратам. [c.117] Рассмотрим сначала стекание пленки [жидкости под действием силы тяжести по вертикальной поверхности при условии, что газовый (паровой) поток не влияет на движение жидкости. Последнее условие соблюдается при небольших скоростях газа. [c.118] Образование волн на поверхности стекающей пленки в большой мере обусловлено действием на свободную поверхность (представляющую собой границу раздела пленки с газом или паром) сил поверхностного натяжения. Подавление волн и ламинарное движение пленки с гладкой поверхностью может быть достигнуто при величинах Не л. значительно превышающих 120, лишь путем добавления к жидкости поверхностно-активных веществ. [c.118] Вернуться к основной статье