ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Физическая абсорбция из "Газожидкостные реакции" Здесь А — концентрация растворенного газа у поверхности раздела между жидкостью и газом, соответствующая условиям равновесия с парциальным давлением газа в газовой фазе. Пока будем считать, что парциальное давление газа одинаково во всех точках рассматриваемого элемента пространства. Влияние на это парциальное давление других газов, обладающих низкой растворимостью, будет рассмотрено в разделеУ-13. Символом а обозначена поверхность контакта между газом и жидкостью, заключенная в единице объема системы, — коэффициент физической массоотдачи в жидкой фазе. Величина Н представляет собой среднюю скорость переноса газа через единицу поверхности действительная же скорость массопередачи может меняться как от точки к точке, так и со временем. Значение Л соответствует средней концентрации растворенного газа в массе жидкости. [c.99] На практике раздельное определение Л/, и а при физической абсорбции обычно невозможно. Так, в насадочных колоннах не известна доля эффективно смоченной поверхности насадки, а при барботаже не известна величина поверхности, разделяющей жидкость и пузыри газа. Поэтому в опытах по физической абсорбции чаще всего измеряют произведение кф. [c.99] Иногда трудно точно установить, реагирует ли растворяемое вещество с жидкостью химически или происходит лишь физическое взаимодействие между ними. С интересующей нас точки зрения физическое растворение означает отсутствие заметных различий между молекулами растворенного вещества — они не могут быть разделены на категории прореагировавших и непрореагировавших. [c.100] В книге, посвященной преимущественно рассмотрению химических реакций между газами и жидкостями, нецелесообразно подробно анализировать вопросы, касающиеся гидродинамики перемешиваемых жидкостей и всех предложенных упрощенных моделей процесса физической абсорбции. Поэтому далее, после обзора некоторых моделей, основное внимание будет уделено использованию наиболее простых из них для предсказания влияния химических реакций на скорость абсорбции. [c.100] Гидродинамическая обстановка в системе характеризуется параметром б, который зависит от конструкции и размера аппарата, интенсивности перемешивания жидкости, ее физических свойств и от других факторов. [c.100] Модели со спокойной поверхностью . Когда вещество (или тепло) переходит от твердой поверхности к турбулентно движущейся жидкости, вблизи твердой стенки имеется область, где перенос осуществляется исключительно за счет молекулярной диффузии (или теплопроводности). С увеличением расстояния от стенки становится все более существенным, а затем и преобладающим конвективный перенос путем турбулентных перемещений. В моделях со спокойной поверхностью наличие подобной ситуации принимается и для массо-обмена в системах жидкость — газ со свободной границей фазового раздела. При этом в отличие от пленочной модели, постулирующей существование резкой границы между неподвижной пленкой и основной массой жидкости, переход от чисто молекулярного к преобладающе конвективному переносу с удалением от поверхности рассматривается здесь как постепенный. [c.101] Трактовка рассматриваемых явлений на основе прямого анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих конвективную массоотдачу в системах твердая стенка—жидкость и газ—жидкость, дается теорией пограничного диффузионного слоя В этой теории учитывается сложность структуры турбулентности внутри вязкого подслоя, прилегающего непосредственно к поверхности раздела фаз. Весьма существенной является постепенность затухания турбулентных пульсаций в подслое. Вследствие этого, поскольку в жидкостях величина коэффициента молекулярной ди(М)узии Оа обычно во много раз меньше величины кинематической вязкости V (v/Dд 1), турбулентные пульсации, несмотря на их затухание, играют существенную роль в переносе массы почти до самой границы фаз. Пренебречь их влиянием можно лишь в пределах подслоя, названного диффузионным , толщина которого в жидкостях значительно меньше толщины вязкого подслоя. В пределах этого диффузионного подслоя преобладающим является перенос молекулярной диффузией. [c.101] Левич получил количественные соотношения, связывающие толщину диффузионного подслоя и коэффициент массоотдачи в жидкой фазе с гидродинамическими характеристиками и физическими свойствами жидкостей, применительно к системам жидкость—твердая стенка и жидкость—газ. При этом в последнем случае причиной затухания пульсаций у свободной поверхности считается наличие поверхностного натяжения. [c.101] Ключевой задачей теории является определение степени затухания коэффициентов турбулентного обмена с приближением к межфазной границе. Недостаточная разработанность теории турбулентности вообще и особенно в применении к системам жидкость—газ не позволяет пока сделать это строго, исходя лишь из гидродинамических соображений. Однако количественная оценка характера затухания возможна на основе надежных экспериментальных данных о зависимости коэффициента массоотдачи от коэффициента молекулярной диффузии. Показатели степени в законе затухания коэффициентов турбулентного обмена и в зависимости к от Оа связаны простым соотношением. Поэтому выявление характера влияния О а на ки по выражению Д. А. Франк-Каменецкого позволяет как бы физико-химически зондировать пограничный слой. В частности, для свободной границы жидкость-газ, как будет показано ниже, многочисленными экспериментальными работами в большинстве практически важных случаев установлена пропорциональная зависимость между к и коэффициентом молекулярной диффузии в степени 0,5. Это соответствует полученным на основании некоторых допущений предсказаниям основанным на квадратичном законе затухания. Доп. пер. [c.101] Артор не совсем точно излагает основные концепции, лежащие в основе модели Кинга, а также выводы в отношении характера зависимости от В а, вытекающие из нее. В основу модели положена возможность одновременного действия двух механизмов переноса вещества от свободной поверхности вглубь жидкости в турбулентном потоке. Один из них соответствует постепенному затуханию коэффициентов турбулентного обмена с приближением к межфазной границе. Этот механизм Кинг считает относящимся к вихрям сравнительно небольшого масштаба. Другой механизм связан с обновлением поверхности сравнительно крупными вихрями (их размер должен быть больше толщины слоя, в котором происходит затухание по первому механизму и где соответственно происходит основное изменение концентрации). Таким образом, модель Кинга, по существу, включает представления теорий пограничного диффузионного слоя (см. выше) и обновления поверхности (см. ниже). Что касается возможного характера зависимости от О а, то на основании собственных экспериментальных данных, полученных в ячейке с мешалкой и в насадочной колонне и анализа результатов, полученных другими исследователями, Кинг приходит к выводу о более узком интервале практически возможного изменения показателя степени при Оа от 0,5 до 0,75. Прим. пер. [c.102] Второй моделью со спокойной поверхностью является модель поверхностного омоложения , описываемая Эндрю и Данквертсом. Такое название используется здесь, чтобы отличать ее от модели поверхностного обновления , рассмотренной в дальнейшем. Стадии процесса, соответствующие указанной модели, представлены на рис. V- . [c.102] Картина, подобная описанной, может наблюдаться при движении жидкости по насадке или по другой поверхности с разрывами непрерывности течения. Однако модель слишком сложна. Очевидно, что потребовалось бы по крайней мере два параметра для описания гидродинамических условий при переносе, которые соответствовали бы толщине ненарушаемого слоя и частоте омоложения . [c.103] Таким образом, в моделях поверхностного обновления принято, что поверхность перемешиваемой жидкости или жидкости, стекающей по насадке, представляет собой мозаику элементов, соприкасающихся с газом в течение различных промежутков времени (или различного возраста ) и потому абсорбирующих газ с неодинаковой удельной скоростью. В разных вариантах рассматриваемой модели принимаются различные виды распределения возраста элементов поверхности относительно среднего значения. [c.104] В первоначальном варианте, предложенном Хигби постулировалось следующее положение каждый элемент поверхности соприкасается с газом перед заменой жидкостью основного состава в течение одного и того же промежутка времени 9. За это время элемент жидкости абсорбирует единицей своей поверхности одно и то же количество Q газа, соответствующее условиям неподвижности жидкости и бесконечности ее глубины. Поэтому средняя скорость абсорбции составляет Q/0. Эту величину можн о рассматривать и как скорость абсорбции отнесенную к единице площади и усредненную по поверхности раздела фаз на таком представительном участке абсорбционного аппарата (работающего в установившихся условиях), на котором состав основной массы жидкости статистически однороден. В качестве примера может быть взят, скажем, небольшой по объему, но представительный элементарный слой насадочной колонны. [c.104] Здесь вновь влияние гидродинамики на коэффициент массоотдачи kl оценивается единственным параметром s, который имеет размерность, обратную времени. [c.105] Возможности использования некоторых конкретных видов распределения поверхностных возрастов, отличающихся от принятых Хигби и Данквертсом, обсуждались Дэвидсоном и др. ° , Портером и Данквертсом и др. [c.105] Фортеску и Пирсон решили уравнения диффузии от поверхности в объем жидкости с упорядоченной системой вихрей. В некоторых случаях (например, для русловых потоков) размер и скорость вихрей, а следовательно, и величина могут быть найдены на основании макрохарактеристик системы. [c.106] Кишиневским и др. развита модель, в которой принято, что турбулентность распространяется до самой поверхности жидкости, причем скорость абсорбции определяется как молекулярной, так и турбулентной диффузией. [c.106] В последних работах М. X. Кишиневский использует основные количественные выводы модели проницания дав ей, однако, обоснование как модели кратковременного контакта фаз . Основой для построения такой модели считаются допущения о ламинарности движения жидкости на всем протяжении контакта, о независимости ее скорости от поперечной движению потока координаты и о кратковременности контакта фаз. Последнее допущение автор считает по существу основным, так как обоснованность первых двух часто вытекает именно из правомерности третьего при кратковременном контакте фронт диффундирующих с поверхности молекул газа успевает продвинуться на столь малое расстояние, что коэффициент турбулентной диффузии все еще остается меньше коэффициента молекулярной диффузии. На этом основании, по Кишиневскому можно пренебречь турбулентной диффузией и рассматривать движение вблизи свободной поверхности как ламинарное, не учитывая к тому же реальный профиль скоростей. [c.106] Вернуться к основной статье