Гидродинамика барботажных тарелок

Характер распределения и взаимодействия пара (газа) и жидкости на тарелке барботажного типа зависит не столько от конструкции контактного устройства, сколько от скорости парового потока [3, 7]. Пар (газ), выходящий из большого числа отверстий и барботирующий через слой жидкости, создает газожидкостной слой, структура которого определяет его гидравлическое сопротивление.

Основным параметром, определяющим структуру газожидкостного слоя на тарелке, является скорость газа ω_г, отнесенная к полному сечению аппарата. На рисунке 6.3 представлено возникновение различных зон в двухфазной системе газ - жидкость.

1 - зона барботажа; 2 - зона пены; 3 - зона брызг

Рисунок 6.3 - Возникновение различных зон в двухфазной системе на ситчатой тарелке

При небольших значениях ω_г, не превышающих скорости свободного подъема пузырьков этого газа в данной жидкости, образуется типичный барботажный (пузырьковый) слой, т. е. пузырьки газа под действием архимедовой силы свободно всплывают в жидкости со скоростью 0,1…0,4 м/с. Лишь в тонком слое жидкости, примыкающем к решетке, скорость газа приближается к скорости пузырька от нескольких метров в секунду после отрыва его от отверстия до десятых долей метра в секунду в барботажном слое. Однако и для типичного барботажа характерно, что над пузырьковой зоной, в которой находится основная масса жидкости, обычно имеется зона пены, а над пеной - зона брызг, причем две последние зоны содержат лишь незначительную часть жидкости.

Образование зоны пены при малых скоростях газа происходит потому, что кинетическая энергия всплывающих пузырьков газа может быть недостаточной для преодоления механической прочности поверхностной пленки, в особенности адсорбционного слоя поверхностно-активных веществ. Поэтому над типично барботажным слоем образуется зона малоподвижной ячеистой структурированной пены.

Над газожидкостным слоем, в котором жидкость является непрерывной фазой, всегда имеется зона брызг той или иной концентрации. При выходе пузырьков газа из слоя жидкости (пены) и разрушения поверхностной пленки всегда происходит образование брызг, которые поднимаются потоком газа над слоем жидкости или пены на различную высоту в зависимости от их дисперсности и скорости газа. При увеличении скорости газа зона пены расширяется за счет пузырьковой зоны.

Обычно при достижении скорости газа в полном сечении аппарата ω_г = 0,5…0,7 м/с дисперсная система становится в основном пенной, лишь у самой решетки остается типично барботажнын слой толщиной в несколько миллиметров, а также сохраняется незначительная по заключенной в ней массе жидкости зона брызг.

Свободное всплывание пузырьков без накопления газа в жидкости возможно лишь при условии, если скорость газа, отнесенная к полному сечению аппарата, будет меньше произведения ω’_п∙φ_п, где ω’_п - скорость всплывания пузырька, φ_п - доля площади сечения аппарата, занятая пузырьками. Если принудительный поток газа, вводимый через решетку, больше ω’_п∙φ_п, то свободное всплывание пузырьков не обеспечивает отвода всего газа, поступающего в газожидкостный слой. Поэтому при ω_г > ω’_п∙φ_п одновременно с образованием ячеистой пены, проникающей в глубь жидкости, начинается накопление пузырьков газа в самой толще жидкости, что приводит к возникновению подвижной пены. При дальнейшем увеличении скорости газа меняется высота слоя и характер пены. Одновременно с образованием подвижной пены внутри слоя жидкости наблюдается разрушение ячеек малоподвижной пены. Так. с повышением скорости газа происходит постепенный переход от барботажного режима к режиму эмульгирования. Общая высота пены при переходном режиме после повышения до максимума во многих случаях снижается, особенно для жидкостей, способных к образованию стойких коллоидных пен. Преобладание слоя ячеистой структурированной пены, которое соответствует переходному режиму от барботажной системы к взвешенному слою подвижной пены, наблюдается в широком интервале скоростей газа от 0,5 до 1,0 м/с. В этом интервале с ростом ω_г пена становится все более подвижной и при ω_г = 1,0…1.3 м/с превращается в сильно турбулизованный слой подвижной пены.