5.5.3. Образование и движение газовых пузырей и капель

Диспергирование газов и жидкостей, т.е. образование газовых пузырей и жидких капель в сплошной фазе, широко используется в процессах физического и химического взаимодействия между этими средами (газ-жидкость, жидкость-жидкость) в основном для увеличения поверхности контакта фаз. Во всех случаях необходимо знать размеры, частоту образования и закономерности движения пузырей и капель.

Диспергирование газов в жидких средах. Диспергирование происходит при истечении газов из сопел или отверстий в плоских или криволинейных стенках газораспределительных устройств. Различают два режима истечения: свободный и цепочный. Первый наблюдается при малых расходах газа и характеризуется определенным расстоянием между всплывающими пузырями, т.е. каждый новый пузырь образуется после того, как предыдущий уже прошел некоторый путь. Второй режим проявляется при больших расходах газа. В этом случае происходит быстрое образование пузырей так, что вблизи отверстия они касаются друг друга, образуя как бы цепочку. При дальнейшем увеличении расхода газа из отверстия (сопла) в жидкость истекает уже струя, которая в последующем распадается на отдельные пузыри. При этом в струе газа при воздействии ее на жидкость могут появляться и капли жидкости.

Диспергирование капельных жидкостей в газовых средах и в объемах других несмешивающихся жидкостей. Возможны два режима диспергирования при истечение жидкости из отверстий: капельный и струйный. В первом случае капли образуются непосредственно при истечении жидкости из отверстия или сопла. Во втором случае струя распадается на капли на некотором расстоянии от выходного сечения диспергирующего устройства.

Другим способом диспергирования жидкостей, обеспечивающим большую однородность размера капель, является отрыв пленки жидкости от вращающихся дисков или цилиндров под действием центробежной силы. Ещё один способ диспергирования одной жидкости в другой при их взаимной нерастворимости заключается в перемешивании с помощью механических мешалок.

Размеры пузыря, отрывающегося от отверстия. При небольших скоростях истечения легкая фаза вытекает в виде последовательно отрывающихся пузырей (капель). В общем случае на образующийся пузырь воздействуют подъемная сила и конвекционные токи жидкости, стремящиеся оторвать пузырь от кромки отверстия. Сила, прижимающая пузырь к кромке отверстия, пропорциональна коэффициенту поверхности натяжения и периметру отверстия

При слабых конвекционных токах в момент отрыва имеем равенство двух сил – подъемной и поверхностного натяжения:

, (5.216)

где d₀ - диаметр пузыря в момент отрыва; d₁ - диаметр отверстия; , - плотности тяжелой и легкой фазы соответственно.

Из уравнения (5.216) определяем d₀:

(5.217)

или в безразмерной форме

. (5.218)

В общем случае при учёте конвективных токов множитель пропорциональности в формуле (5.218) является функцией критериев, определяющих гидродинамический режим двухфазной системы в целом.

При увеличении объемного расхода газачерез отверстие частота отрыва единичных пузырей возрастает и достигает критического значения, при котором начинается цепочное движение пузырей. Критическое значение расходаможет быть найдено из следующих соображений. Всплывающие со скоростьюW_n пузыри выстраиваются в вертикальную цепочку, среднее сечение которой соответствует гипотетическому цилиндру эквивалентного объема:

, . (5.219)

Тогда критический расход с учетом (5.217) равен

. (5.220)

При цепочном движении размер пузырей увеличивается с возрастанием расхода газа из (5.220)

. (5.221)

Характер движения капель и пузырей. Движению капель и пузырей, в отличие от движения твердых сфер, присущ ряд характерных особенностей. На жидкой границе раздела фаз касательная составляющая скорости отлична от нуля, вследствие чего внутри движущейся капли (пузыря) возникает циркуляция среды, способствующая лучшему обтеканию капли по сравнению с обтеканием твердой сферы. Это означает, что для капли отрыв пограничного слоя наблюдается при более высоких значениях Re, чем для твердой сферы, и скорость осаждения капли (пузыря) выше скорости осаждения твердой сферы того же диаметра. Вместе с тем, ввиду подвижности границы раздела фаз, капли (пузыри) могут деформироваться и колебаться при своем движении.

Скорости движения малых капель и пузырей при Rе < 1 могут находиться в приближении сферичности их формы. Для капли, движущейся в жидкости под действием подъемной силы, скорость ее установившегося движения (падение или всплытие) определяется по формуле

. (5.222)

Эта формула отличается от формулы (5.214), характеризующей движение твердой сферы, множителем, учитывающим влияние динамической вязкости сплошной фазы ('') и динамической вязкости дисперсной фазы ('). При движении газовых пузырьков в жидкости ' << '', так что

. (5.223)

Увеличение диаметра пузырей и капель приводит к их деформации, они уже не могут считаться сферическими, траектории движений отличаются от вертикалей, и соотношения для определения скорости их движения не удается получить теоретически. При достаточно больших скоростях движения капель относительно сплошной фазы они могут разделяться (дробление), а при соударениях сливаться (коалесценция).

Массовый барботаж. Выше рассматривалось образование и всплытие пузырей от единичного отверстия. На практике широко используется массовый барботаж - прохождение газа в жидкость через множество отверстий, например, в тарельчатых колоннах. При малых расходах газа в режиме всплытия отдельных пузырей к ним применимы закономерности, полученные ранее. Однако при увеличении расхода газа, когда происходит стесненное движение пузырей, данные закономерности нарушаются. При дальнейшем увеличении расхода газа образуется слой пены. Еще большее увеличение расхода газа приводит к разрушению слоя пены, и газ проходит сквозь жидкость в виде струй.

Для характеристики газожидкостного слоя при массовом барботаже используются такие величины, как газосодержание , высота слояh_с, высота светлого слоя жидкости h₀. Газосодержание характеризует объемную долю газа в газожидкостном слое. Высота светлого слоя жидкости характеризует количество жидкости в газожидкостном слое и представляет собой гипотетическую высоту слоя при его нулевом газосодержании:

. (5.224)

Расчет величин иh₀ производится, как правило, по эмпирическим соотношениям.