Файл: Романков, П. Г. Гидромеханические процессы химической технологии.pdf

Условия движения потока на входе в слой оценивались по от­ ношению wBX/w (w — средняя скорость ожижающего агента в сво­ бодном сечении аппарата). Изменение входных условий осуще­ ствлялось варьированием параметров газораспределительного уст­ ройства.

Реализации случайного процесса w(т) для широкого диапа­ зона отношений wBJw (от 1 до 50 при w — 0,65 м/с) подвергались дискретизации, после чего рассчитывались статистические характеристики взвешенно­ го слоя. Найдено, что практически макси­ мальная интенсивность процессов тепло- и

жения, аппроксимирующего точки функции Rw(x), проводились на ЭВМ («Минск-22»), Полученные автокорреляционные функции носят характер затухающих гармонических колебаний. Таким образом, выяснен харак­ тер влияния конструкции газораспредели­ тельного устройства на структуру (однород­

жидкости, часто являются турбулентными, даже если поток ожи­ жающего агента ламинарен, а твердые частицы при низких расхо­ дах потока перемещаются медленно. Если в качестве ожижающего агента используют газ, то образующийся взвешенный слой, как правило, ламинарен (однако при высоких Ѵсек газа возникает тур­ булентность) .

Для ламинарного взвешенного слоя профиль скоростей имеет вид, представленный на рис. 5-34. В структуре слоя большой вы­ соты можно наблюдать следующие зоны: 1) застойную; 2) кольце­ вую; 3) центральную (рис. 5-35).

Критерии образования однородного взвешенного слоя должны быть разработаны с учетом реЬлогических характеристик взвешен­ ного слоя.

В однородном взвешенном слое, полученном при пропускании через твердую зернистую фазу восходящего потока жидкости, мож­ но проанализировать основные характеристики движения и взаи­ модействия обеих фаз с помощью теории случайных (марковских)

231

однородных процессов, используя диффузионную модель [55, 56]. Штейдл [57] показал, что только статистический подход может дать знание таких основных характеристик, как порозность или мини­ мальная скорость ожижающего потока, обеспечивающая образо­ вание взвешенного слоя. Применение теории Маркова о случайных

процессах к непрерывным процессам, обладающим осевой симметрией и од­ нородным во времени и пространстве, позволило исследовать поведение оди­ ночных и множества твердых частиц во взвешенном слое (с помощью мече­ ных частиц).

Экспериментальная проверка дей­ ственности диффузионной модели про­ водилась Тагановым [47]: 1) иссле­ дованием нестационарного перехода меченых частиц и 2) определением не­ стационарных флуктуаций концентра­ ции меченого вещества. При этом была установлена инвариантность коэффи­ циента диффузии D для различных ин­ тервалов Ат времени опыта.

Для обеспечения однородности взвешенного слоя в последнее время широко используют наложение верти­ кальных вибраций [38, 56]. При этом отмечено снижение скорости, необхо­ димой для начала перехода во взве­ шенное состояние, а также уменьшение гидравлического сопротивления взве­ шенного слоя (до У4).

Если частицы не слипаются, то слой отрывается от вертикально вибрирую­

хождении через него потока газа с суммарной скоростью газа W q/ e и скоростью вибрации аа>.

Д В У Х - И Т Р Е Х Ф А З Н Ы Е С И С Т Е М Ы

Системы, состоящие из двух или более различных фаз, взаимо­ действие между которыми вызывает изменения в режимах движе­ ния, законах сопротивления, а также в самой природе таких си­ стем, характеризуются действием поверхностных сил (сил межфаз­ ного поверхностного натяжения).

232

В последние годы изучение гидравлических закономерностей двух- и трехфазных потоков приобрело особую важность примени­ тельно к расчету типовых тепло- и массообменных (дистилляции, экстрагирования, абсорбции, взвешенного слоя и др.), а также химических процессов. Перспективность многофазных потоков свя­ зана также с развитием энергетических процессов (например, маг­ нитно-гидродинамической конверсии теплоты в электричество с по­ мощью жидких металлов и т. д.).

мышленности чаще всего используют газожидкостные системы, ко­ торые различают по направлению движения отдельных фаз и по скорости: 1) жидкость в целом остается неподвижной (хотя ло­ кальные движения жидкости допустимы); 2) жидкость и газ (пар)

Последний случай имеет место в конденсаторах смешения, ки­ пятильниках, гетерогенных реакторах и разделяющих аппаратах. В дальнейшем отличие будет заключаться в том, останутся ли ско­ рости обеих фаз постоянными (как, например, в эрлифтах, при транспортировании газа и нефти по трубам и т. д.) или между фа­ зами будет происходить значительный перенос массы и скорости отдельных потоков будут сильно изменяться вдоль аппарата (на­ пример, при кипении или конденсации). Следует отметить, однако, что в некоторых случаях (например, при абсорбции из разбавлен­ ных смесей, при дистилляции с постоянной молярностью потоков и т. д.) предполагают постоянство скоростей потоков отдельных фаз при развитом массообмене между ними. При этом большое значение имеет величина поверхности взаимодействия фаз. Напри­ мер, при взаимодействии потоков жидкость — жидкость определе­ ние межфазной поверхности в большинстве случаев представляет собой чрезвычайно сложную задачу.

Механизмы тепло- и массопередачи невозможно оценивать без понимания гидродинамической обстановки процесса.

Основные характеристики двухфазных потоков — режимы дви­ жения и законы сопротивления — значительно отличаются от ана­ логичных характеристик отдельных фаз.

Режимы движения двухфазных потоков

Виды движения потоков при взаимодействии двух фаз разли­ чают: визуально и по физическому состоянию, т. е. в зависимости

233

от скорости движения, объемного газосодержания, отношения плот­ ностей фаз, смачиваемости стенок аппарата и других параметров. Структура потоков зависит также от поверхностных сил. Вероятно в большом разнообразии визуально наблюдаемых режимов нет значительных изменений механизма передачи количества движе­ ния, тепла или массы. Однако классифицировать режимы движе­ ния двухфазных потоков [58] по механизму переноса трудно, так как для этого необходим детальный теоретический анализ каждого случая (условия течения одной фазы обычно значительно влияют на условия течения другой фазы). Достаточно большое количество накопленных экспериментальных данных обобщено в монографиях

Кутателадзе и Стыриковича [59], а также Кафарова [60].

в виде отдельных пузырей дви­ жется быстрее жидкости. С увеличением содержания газа пузыри начинают сливаться в газовые пробки. Отдельные газовые пробки разделяются жидкостными перемычками, пронизанными газовыми пузырьками. Наконец, при дальнейшем увеличении газосодержа­ ния жидкостные перемычки исчезают и газовые пробки сливаются в сплошной столб газа, двигающийся по центру трубы, окружен­ ный кольцом жидкости с включениями мелких газовых пузырьков. При больших скоростях газа происходит обращение (инверсия) фаз (жидкость диспергируется в газе, который становится сплош­ ной фазой) и поток движется в виде газожидкостной эмульсии. Существуют также промежуточные формы потоков: слоистые, с вол­ нообразованием, пенные, пленочно-эмульсионные, капельные и дру­ гие. Наибольшее число исследований посвящено самым распро­ страненным режимам — пробковому и кольцевому [61]. Следует отметить, однако, что возникновение того или иного режима движения зависит от метода перемешивания двух фаз и от спо­ соба введения их в систему. Наибольшее значение для промыш­ ленности представляют процессы пленочного течения жидкости, соприкасающейся с паром, и барботажа газа (пара) сквозь жид­ кость.

234

В. Н. Соколов с сотрудниками [62] установили границы возник­ новения режимов движения нисходящего двухфазного потока для системы воздух — вода (рис. 5-36).

На рис. (5-36) приведены кривые для устойчивого пузырько­ вого, пробкового (снарядного) и стержневого (кольцевого) режи­ мов в координатах даж — wT.

Приближенно можно дать общую оценку пределов существо­

и жидкости и так называемое среднее объемное газосодержание ф,

Перепад давлений Ар в двухфазном однонаправленном потоке газ (пар) — жидкость на единицу высоты L аппарата определяется распределением фаз и связан с режимом движения потока [63]:

Механизм изменения гидравлического сопротивления двухфаз­ ной системы обусловливается следующими причинами: 1) измене­ нием количества движения вдоль оси потока; 2) изменением на­

2 3 5