Лекции № 40−43

Экспериментальные методы оценки значений удельной поверхности контакта фаз в системе газ−жидкость. Объемное и локальное газосодержание в двухфазных потоках и методы их экспериментальной оценки. Физические и химические методы.

Понятие удельной поверхности контакта фаз вытекает из рассмотрения уравнения массопередачи целевого компонента из одной фазы в другую.

Скорость стационарного переноса массы целевого компонента из газовой фазы в жидкостную М_р, для случая трудно растворимых газов при физической абсорбции, определяется зависимостью

. (55)

В уравнении (55) равновесная концентрация C^* и рабочая концентрация С_р обычно известны, т.к. известны рабочие условия проведения процесса и требования к конечному продукту. Обычно проблема состоит в определении параметров β_ж и S. Оба этих параметра зависят от физических свойств газовой и жидкостной фаз, а также гидродинамической обстановки в аппарате и количества газовой фазы в рабочем объеме (газожидкостной смеси). Гидродинамическая обстановка во многом определяется условиями подвода энергии к рабочей среде, способом диспергирования газа в жидкости, интенсивностью диссипации энергии в рабочем объеме, а также скоростью коалесценции газовых пузырей. Учитывая сложность теоретической и экспериментальной оценки этих параметров по отдельности, для определения массообменных характеристик вновь создаваемой конструкции аппарата, обычно используют понятия удельной поверхности контакта фаз а и объемного коэффициента массоотдачи β_V, которые связаны между собой следующей зависимостью

β_V = β_ж S/V_cм = β_ж·а, (56)

где а – удельная поверхность контакта фаз (УПКФ), м²/м³.

С учетом (56) уравнение (55) приводится к следующему виду

М_р= β_V·V_см (C^*– C_р) = β_ж·а V_см (C^*– C_р). (57)

В газожидкостных смесях, в условиях пузырьковой структуры газожидкостной смеси, удельная поверхность контакта фаз, связана с общим содержанием газовой фазы φ_г и размерами самих пузырьков d_п следующим соотношением

а = . (58)

Все существующие методы экспериментального определения УПКФ можно разделить на две группы:

а) химические методы:

б) физические методы.

В основе химических методов определения значений УПКФ лежит уравнение (57). Суть химических методов заключается в проведении процесса массообмена между газом и жидкостью в условиях наличия известной химической реакции между молекулами растворяемого газа и молекулами жидкости. Основным условием химических методов определения УПКФ является соблюдение быстрой скорости химической реакции, такой при которой растворяющейся газ моментально вступает в необратимую химическую реакцию с молекулами жидкости. В этом случае скорость растворения М_р будет оп-

ределяться только величиной а, так как сопротивлением массопереносу в жидкостой фазе можно пренебречь. Химические методы имеют свои преимущества и недостатки. К преимуществам можно отнести получение интегральных значений УПКФ в аппарате любой конструкции и при любых структурах потоков (капельные, снарядные и другие структуры потоков фаз), модель аппарата или сам аппарат может быть выполнен не прозрачным.

К недостаткам следует отнести ограниченность хорошо изученных реакций модельных систем газ-жидкость. В основном применяются системы воздух–водные растворы сульфита натрия и двуокись углерода – водные растворы едкого натрия (NaOH). Эти растворы в свою очередь также ограничены концентрациями реагирующего вещества. Поэтому ограничены и физические свойства жидкости, определяющие значения а, что не позволяет выполнять оценку влияния последних на УПКФ.

К физическим методам относятся методы позволяющие определять параметры входящие в уравнение (58), а именно φ_г и d_п. К наиболее распространенным физическим методам можно отнести следующие: фотографический, стереометрический, методы деполяризации и рассеивания светового луча, электроконтактные и другие. В результате использования физических методов получают данные по локальным значениям φ_г и d_п, усредняют их по объему газожидкостной смеси и получают интегральные значения, которые подставляют в уравнение (58). Физические методы не менее трудоемки, т.к. необходимо большое количество измерений в условиях одного и того режима, требуют изготовления модели исследуемой конструкции из прозрачного материала, специальных миниатюрных датчиков, и также ограничены модельными системами газ-жидкость.

Работа с литературой: [5] – c. 377– 404; [10] c. 1– 40.