9. Теплообмен в барботажных колоннах

Теплообмен в чистых жидкостях.

Ранее отмечалось, что в барботажных колоннах реакционная теплота может отводиться или за счет частичного испарения жидкости, или через стенки

теплообменных элементов. В обоих случаях количество отводимой (подводимой) теплоты определяется уравнениями (11.25) или (11.28). При съеме теплоты за счет насыщения барботирующего газа испаряющейся жидкостью количество ее рассчитывается по уравнению теплового баланса, что освобождает от необходимости определять коэффициент теплообмена между жидкостью и газом. Для расчета поверхности теплообменных элементов нужно знать коэффициенты теплоотдачи к ним от газожидкостной смеси. Этот вопрос и рассматривается в предлагаемом параграфе.

Рис. 33. Зависимость коэффициента теплоотдачи от скорости газа для различных жидкостей при разных температурах пограничного слоя:

На основании многочисленных исследований по теплообмену между твердой поверхностью и омывающей ее газожидкостной смесью, не имеющей направленного движения (условие внешней задачи), можно сделать вывод, что коэффициент теплоотдачи не зависит от свойств газа [110, 117], от давления в аппарате при его увеличении до Па [109], от поверхностного натяжения на границе газ — жидкость [110], от конструкции газораспределителя (диаметра и шага размещения отверстий в барботере), если высота расположения теплообменного элемента над барботером превышает высоту факела газа, выходящего из отверстия, от места расположения теплообменного элемента в пучке горизонтальных труб [77, 117]. Слабо выражена также зависимость коэффициейта теплоотдачи от диаметра трубы, омываемой газожидкостной смесью.

Существенное влияние на коэффициент теплоотдачи а оказывают приведенная скорость барботирующего газа и свойства жидкости, в чем можно убедиться, проанализировав опытные данные [77], представленные на рис. 33.

Рассмотрим кривую 2. При введении в аппарат небольшого количества газа величина а резко возрастает до значений, в шесть-семь раз превосходящих коэффициент теплоотдачи, отвечающий условиям естественной конвекции Дальнейшее увеличение а идет более медленно, со стремлением к постоянной величине. Здесь интересно отметить следующее.

Если средние температуры пограничного слоя одинаковы, то изменение направления теплового потока не отражается на величине коэффициента теплоотдачи. Опытные точки при нагревании и охлаждении газожидкостной смеси, имеющей различные температуры ядра потока, при лежат на одной кривой. При повышении до 34° С (кривая 1) а возрастает. Это свидетельствует о существенном влиянии вязкости и теплопроводности жидкости на а, что более убедительно подтверждается кривыми 3—5.

Из всего изложенного можно сделать вывод, что термическое сопротивление лимитируется теплопереносом в пристенном слое жидкости и, следовательно, для расчета коэффициента теплоотдачи можно воспользоваться уравнением (11.38). Входящая в него динамическая скорость и в каждом конкретном случае будет зависеть от характера источников турбулентности, т. е. от гидродинамической обстановки в аппарате.

Определим эту скорость применительно к пустотелой барбожной колонне. Из уравнений (11.23) и (11.24) следует, что

где диссипация мощности, вводимой в колонну с барботирующим газом, в объеме жидкости .

Мощность определяется сопротивлением барботажного слоя а объем жидкости Следовательно, для барботажной колонны

Экспериментальные исследования показали, что динами-. ческая скорость, определяемая уравнением (111.20), характери-. зует перенос количества движения только при т. е. при малом газосодержании С увеличением около поверхности, омываемой газожидкостной смесью, появляется значительное количество мелких газовых пузырей, затрудняющих проникновение турбулентных пульсаций из ядра потока в пристенный слой. Анализ проникновения этих пульсаций при равномерном распределении газовых пузырей сферической формы около твердой стенки показал, что интенсивно омываться возмущенным потоком будет только часть поверхности, площадь которой пропорциональна в диапазоне величине . Аппроктимируя эту зависимость в указанных пределах изменения выражением можно принять, что при динамическая скорость

При выводе уравнений (111.20) и (111.21) было принято условие, что газ барботирует в неподвижную жидкость, т. е.

В действительности же в колонне наблюдается циркуляция жидкости, однако малые значения скоростей циркуляции позволяют пренебречь касательным напряжением на стенке, обусловленным движением жидкости, и не учитывать его дополнительно в выражении динамической скорости (III.21).

Введя в (11.38) выражение и из (III.21), получим основное уравнение для расчета коэффициента теплоотдачи к теплообменным элементам, размещенным в барботажной колонне:

Уравнение (II 1.22) можно записать в ином виде:

где критерий Нуссельта; масштаб толщины пристенного слоя; критерий режима барботажа.

Значение в уравнениях (III.22) и (III.23) легко определить по рис. 14 в зависимости от величины

Анализ многочисленных данных показал [24], что для барботажных колонн можно принять

Величина у в уравнении (III.24) представляет собой расстояние от стенки, на котором температура жидкости претерпевает основное изменение. Как видно из рис. 14, величина не оказывает существенного влияния на отношение Поэтому некоторая произвольность выбора значения у, определяющего величину не приведет к большой погрешности при расчете по уравнению (111.23) коэффициента теплоотдачи а. Для конкретных примеров можно дать следующие рекомендации: для одиночной трубы, размещенной в барботажном слое; для змеевика или пучка труб с наружным диаметром и шагом размещения для колонны диаметром имеющей теплообменную рубашку на корпусе (здесь учтен профиль скоростей циркуляции жидкости).

Для ориентировочных расчетов коэффициента теплоотдачи в барботажных слоях, образованных жидкостью с небольшой вязкостью со средним газосодержанием уравнение (III.23) может быть аппроксимировано более простыми зависимостями:

Представленная на рис. 34 корреляция различных опытных данных показывает, что уравнения (111.25) и (111.26) могут вполне

удовлетворять точности инженерных расчетов. Экспериментально они проверены в диапазоне значений при теплоотдаче к змеевикам и одиночным трубам с наружными диаметрами Расположение опытных точек на рис. 34 показывает, что при системы вода—воздух это соответствует скорости газа в свободном сечении колонны наступает режим барботажа с образованием динамической пены, при котором практически не зависит от

Рис. 34. Опытные данные, обобщенные уравнениями (III.25) и (III.26):

Широкий диапазон проверенных скоростей газа позволяет использовать уравнения (III.25) и (III.26) не только для расчета коэффициента теплоотдачи в пустотелых барботажных колоннах, но также и в колоннах с тарелками — как в случае размещения змеевиков для охлаждения жидкости на тарелках, так и если сама тарелка (провального типа) выполнена в виде спирального плоского змеевика.