Главная > Разное > Газожидкостные реакторы
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

Глава II. ОСНОВЫ ПРОЦЕССОВ В ГАЗОЖИДКОСТНЫХ РЕАКТОРАХ

Эффективность химических превращений в системах газ—жидкость зависит не только от скорости химической реакции, но и от условий тепло-массообмена, определяемых в первую очередь гидродинамическим состоянием системы. Поэтому прежде, чем переходить к детальному анализу различных типов барботажных реакторов, рассмотрим основные закономерности гидродинамики, тепло-массопереноса и кинетики химических превращений при барботаже газа через жидкость.

4. Гидродинамика газожидкостных систем

Основные характеристики газожидкостных смесей. Одной из характеристик газожидкостной смеси, образованной при барботаже газа через жидкость, является ее истинное газосодержание

где объем смеси, заполняющей аппарат; объем газа, заключенного в объеме

При постоянстве объемного расхода барботирующего газа осредненное во времени и по объему слоя истинное газосодержание

площадь свободного сечения аппарата, занятая газожидкостной смесью; площадь сечения аппарата, занятая газом; приведенная скорость газа (расход газа отнесен к свободному сечению аппарата); истинная скорость газа в аппарате.

Осредненная величина определяет объем жидкости в газожидкостной смеси , высоту слоя газожидкостной смеси и плотность смеси

где высота исходного слоя жидкости; плотности жидкости и газа.

Газосодержание зависит как от свойств жидкости и газа, так и от скоростей их движения. Поэтому для его расчета в зависимости от типа реактора используют различные уравнения (см. пп. 8 и 12).

В случае направленного движения потока газожидкостной смеси (в газлифтных или змеевиковых барботажных аппаратах) появляются дополнительные характеристики: приведенная

скорость жидкости и истинная ее скорость , связь между которыми также может быть выражена через газосодержание:

Вследствие действия подъемных сил, обусловленных разностью плотностей фаз, истинные скорости газа и жидкости отличаются друг от друга на величину относительной скорости При восходящем движении газожидкостной смеси

а при нисходящем движении

Движущийся двухфазный поток кроме истинного газосодержания характеризуется объемным расходным газосодержанием выраженным через приведенные скорости газа и жидкости:

Сумму принято называть приведенной скоростью смеси, Эта характеристика обычно используется при расчете приведенной скорости жидкости в барботажных трубах газлифтных реакторов (см. п. 12).

При барботаже газа через жидкость образуется поверхность контакта фаз Анализируя эффективность работы барботажных реакторов, обычно пользуются понятием удельной межфазной поверхности однако надежных рекомендаций для ее расчета до сих пор не установлено. Часто встречающееся в литературе уравнение

получено из условия, что газожидкостная смесь содержит однородные пузыри шарообразной формы со средним диаметром Такая структура смеси наблюдается только при перемешивании газожидкостной смеси мешалками или при отрыве одиночных пузырей от отверстий малых размеров, когда скорость газа в отверстиях барботера не превышает скорости свободного всплывания пузыря. Для системы вода—воздух, например, эта скорость составляет

В отверстиях барботеров промышленных реакторов скорость газа обычно превышает эту величину и может достигать При этом газ вырывается из отверстия в виде расширяющейся струи, распадающейся на пузыри различных размеров на некотором расстоянии от барботера [79]. Полидисперсность газовых пузырей может быть учтена [301 введением в уравнение дополнительного множителя, однако в реальных условиях его значение близко к единице.

Удельная межфазная поверхность полидисперсной системы газовых пузырей определяется свойствами жидкости и газа и их приведенными скоростями и не зависит от конструкции барботера. Влияние последней на газосодержание, а следовательно, и на удельную поверхность контакта фаз проявляется только при малых высотах барботажного слоя, например на ситчатых тарелках массообменных аппаратов, где высота расширяющейся струи газа соизмерима с общей высотой слоя динамической пены. Влияние свойств газа и жидкости на величину а при массовом барботаже очень сложно, доказательством чего могут, например, служить результаты исследований удельной межфазной поверхности в барботажном реакторе, секционированном ситчатыми тарелками [14]. Эти опыты показали, что при приблизительно одинаковых физических свойствах жидкостей (вязкости, поверхностном натяжении и плотности) величина а для растворов электролитов оказалась значительно выше, чем для недиссоциированных жидкостей. Различие значений а наблюдалось и для разных растворов электролитов при постоянстве указанных физических свойств жидкостей.

Наиболее существенное влияние на величину а оказывает присутствие в жидкости поверхностно-активных веществ. Учитывая сложность физико-химических свойств систем газ-жидкость в реальных технологических процессах, когда небольшие и часто практически нефиксируемые добавки поверхностно-активных веществ сильно изменяют их структуры, следует, вероятно, согласиться практической нецелесообразностью попыток поиска обобщающих уравнений, пригодных для расчета удельной межфазной поверхности в промышленных барботажных реакторах.

При математическом моделировании химических реакторов в качестве одной из основных характеристик используют коэффициент турбулентной диффузии, или коэффициент продольного перемешивания По физической сущности он представляет собой объем жидкости или газа, переносимый за счет турбулентных пульсаций через единицу площади сечения потока на единицу длины, и, следовательно, является гидродинамической характеристикой системы. Величина зависит от степени приближения аппарата к модели идеального смешения или вытеснения и в каждом конкретном случае определяется экспериментально.

Турбулентный перенос вещества в газожидкостных системах, осуществляемый крупномасштабными пульсациями, при достаточно больших значениях критерия может характеризоваться только параметрами турбулентного потока: плотностью среды пульсационной скоростью и масштабом пульсации . Эти параметры могут дать единственно возможное выражение имеющее размерность коэффициента турбулентной диффузии — Поскольку то

Уравнение (11.10) показывает, что величина не должна зависеть от вязкости жидкости, а тем более от вязкости газа, значение которой на два порядка меньше первой. Однако влияние вязкости жидкости на ее продольное перемешивание может проявляться, но только через касательные напряжения на твердых поверхностях внутри аппарата, тормозящие осевую циркуляцию жидкости и поперечный перенос веществ. Возможно, что кажущееся (наблюдаемое при эксперименте) влияние вязкости жидкости будет зависеть от величины удельной поверхности неподвижных стенок в аппарате.

Рис. 10. Пульсационные скорости в направлении, нормальном к стенке плоского канала шириной

Например, в пустотелых барботажных колоннах, где эта поверхность мала, можно ожидать при определении коэффициента продольного перемешивания слабого влияния вязкости жидкости, которое должно возрастать при заполнении колонны насадкой или зернистым катализатором.

Существенную роль в гидродинамике газожидкостной смеси играет динамическая скорость потока, с которой однозначно связано не только сопротивление аппарата в целом, но и интенсивность процессов переноса тепла и вещества в жидкой фазе. Поскольку в дальнейшем для анализа различных явлений в газожидкостных реакторах эта скорость будет использоваться часто, рассмотрим методы ее оценки более подробно.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление