Пленочное течение жидкостей

Пленочное течение используют в процессах тепло- и массообмена в том случае, когда необходимо обеспечить большую поверхность контакта фаз. Скорость процессов во многом определяется характеристикой течения пленок, их толщиной и скоростью движения.

Рассмотрим движение пленки при малых значениях скорости газа (газ не влияет на движение).

Гидродинамический режим определяется Re:

(36)

δ – толщина пленки.

Г – линейная массовая плотность орошения .

Различают 3 режима течения пленки:

1. ламинарное с гладкой поверхностью раздела Re_пл <20÷120;

2. ламинарное с волнистой поверхностью Re_пл 20…120…1600;

3. турбулентное Re_m>~1600.

Образование волн обусловлено действием сил поверхностного натяжения и подавляется добавлением ПАВ. При ламинарном течении пленки с гладкой поверхностью скорость по толщине изменяется по параболическому закону от 0 у стенки до w_max у свободной поверхности, средняя связана с max w= w_max/1,5.

Для описания движения пленки используют приведенную толщину:

(37)

и критерии, учитывающие воздействие сил тяжести:

(38)

При возрастании скорости газа увеличивается сила трения на границе Ж-Г, и возникают касательные напряжения, равные по модулю, но различные по направлению. Движение жидкой пленки тормозится, δ ↑, w ↑.

При w=5÷10 м/с сила тяжести уравновешивается силой трения у поверхности пленки. Наступает захлебывание аппарата: жидкость накапливается в аппарате, начинается ее выброс, резко возрастает гидравлическое сопротивление аппарата. Точка захлебывания соответствует верхнему пределу скорости для противоточных процессов в аппаратах любых типов.

При дальнейшем ↑ скорости меняется направление движения пленки снизу вверх. Такой режим называется режимом восходящего прямотока. гидравлическое сопротивление сначала снижается, а затем растет.

При w>15…40 м/с начинается брызгоунос, при котором жидкость уносится газом в виде брызг.

В случае нисходящего прямотока газ увеличивает скорость пленки и уменьшает толщину. Гидравлическое сопротивление его ниже, чем восходящего. режим наблюдается для скорости 15÷30 м/с. Далее начинается брызгоунос.

Разделение неоднородных систем

Фазы, составляющие гетерогенную систему могут быть механически отделены друг от друга (внутренняя фаза – дисперсная, внешняя – дисперсионная, сплошная).

В зависимости от физического состояния фаз различают эмульсии, суспензии, пены, пыли, дымы, туманы.

Суспензии – системы, где дисперсная фаза – твердая, сплошная – жидкая. Подразделяются по размеру твердой:

>100 мкм – грубые, 100÷0,5 мкм – тонкие, 0,1÷0,5 мкм – мути.

Переходной областью между суспензиями м истинными. растворами являются коллоидные растворы: границу между коллоидными и суспензиями определяет броуновское движение, которое не позволяет осадить твердые частицы.

Эмульсии – системы, состоящие из жидкости и жидкости, не смешивающейся с первой. Под действием силы тяжести эмульсии расслаиваются, однако при размерах капель <0,5 мкм или при добавлении стабилизатора становятся устойчивыми в течении длительного времени.

С увеличением количества дисперсной фазы может наблюдаться инверсия фаз: в результате слияния или коалесценции капель дисперсная фаза становится сплошной, а бывшая сплошная – дисперсной.

Физические свойства (ρ, μ) суспензий и эмульсий определяются объемным соотношением фаз φ и их физическими свойствами (см. Павлова).

Пены – системы, в которых дисперсная фаза – газ, сплошная фаза – жидкость.

Пыли и дымы – системы, состоящие из газа и твердых частиц.

Пыли состоят из твердых частиц 3÷70 мкм и получаются при дроблении твердых материалов.

Дымы состоят из частиц 0,3÷0,5 мкм и образуются в результате физико-химических процессов в газах с образованием твердых частиц. Если образуются жидкие частицы, то система называется туманом.

Туманы, дымы, пыли называются аэрозолями.

Выбор метода разделения неоднородных систем обусловлен размерами взвешенных частиц, разностно ρ, μ сплошной фазы. Применяют следующие методы разделения: осаждение, фильтрование, центрифугирование, мокрое разделение.

Осаждение – процесс разделения под действием сил тяжести, сил инерции или электростатических сил. Осаждение под действием сил тяжести называется отстаиванием (применяется для грубого, предварительного разделения).

Фильтрование – разделение с помощью пористой перегородки, которая задерживает дисперсную фазу, пропускает сплошную под действием р_изб и центробежных сил.

Центрифугирование – процесс разделения суспензий и эмульсий в поле центробежных сил. При центробежном осаждении осадок уплотняется, при центробежном фильтровании уплотняется и сушится.

Мокрая очистка – улавливание частиц в газе другой жидкостью.