3.7 Абсорбция газа из отдельного пузырька

Кроме экстракции газа имеет место также обратный так называемый процесс абсорбции газа из отдельного пузырька. Протекание этого процесса существенно зависит от природы газа и жидкости. Процесс абсорбции некоторого компонента газовой смеси, образующей пузырек, имеет три стадии: растворяющийся компонент должен быть доставлен к поверхности раздела газ–жидкость; он должен пересечь эту границу; он должен быть удален от поверхности пузырька в глубь раствора.

Зачастую вторая стадия процесса осложняется химическим превращением, претерпеваемым растворяющимся компонентом. Суммарная скорость процесса лимитируется, как всегда, наиболее медленной его стадией.

Опыт показывает, что скорость растворения различных газов определяется разными стадиями процесса. В частности, скорость растворения легкорастворимых газов определяется первой стадией — конвективной диффузией компонента внутри пузырька. В обратном предельном случае трудно растворимых газов скорость процесса определяется стадией конвективной диффузии в жидкости.

Растворение газа в единичном пузырьке можно назвать элементарным актом барботажного процесса для трудно растворимых газов [25]. Однако следует подчеркнуть, что процесс массового барботажа весьма сложен и определяется многими факторами, важнейшими из которых являются: растворение газа из неразбитой струи, взаимное "влияние пузырьков друг на друга, процесс пенообразования и т. д. В этих сложных и пока еще мало изученных процессах растворение из единичных пузырьков, бесспорно, играет весьма существенную роль, в особенности при большой толщине слоя жидкости (глубине барботажа) и больших скоростях газовой струи.

3.8 Характерные зоны в затопленной двухфазной струе и режимы её образования

Структура зоны барботажа. Для реальной жидкой ванны характерны условия турбулентного течения процесса (см. рис. 1, б).

При продувке ассимилируемым газом происходит заметное изменение объема газовой фазы за счет взаимодействия кислорода дутья и растворенного в металле углерода. Изменение тем большее, чем выше процентное содержание кислорода в газовой смеси. Это учитывается в расчете геометрических размеров зон взаимодействия. Однако общее вспенивание (увеличение объема жидкой ванны) в модели не учитывается.

При продувке ассимилируемым газом появляется понятие реакционной зоны, где идут окислительно-восстановительные реакции и образуются газообразные продукты.

Зона взаимодействия газ-металл (А) характеризуется относительно низкой удельной (на единицу объема) поверхностью взаимодействия. Струя газа, поступая с высокой скоростью в металл, дробит расплав на капли диаметром порядка 210^-4 м [4], образуя эмульсию с преобладанием газовой фазы.

Зона взаимодействия металл-газ находится на периферии зоны А. Газовый поток, передавая свой импульс окружающему расплаву, теряет скорость. В этой зоне идет наиболее активное взаимодействие ассимилируемого газа с расплавом, сопровождающееся активным выделением продуктов реакции.

Эти зоны соответствуют первичной и вторичной зонам взаимодействия, описанным в [2]. Характерные размеры этих зон зависят от дутьевого режима и описываются следующими формулами:

; ; ;

для ассимилируемого газа

; ; ;

где – объемный расход газа, м³/с; g – ускорение свободного падения, м/с²; D₁ D₂ – соответственно диаметры зон взаимодействия, м; L₁, L₂ – соответственно длины первой и второй зон взаимодействия, м.

Объемы и площади зон находятся из соответствующих геометрических фигур. Общая поверхность взаимодействия фаз в данном случае равна сумме поверхностей первичной и вторичной зон.

Момент перехода от турбулентного режима к режиму пробоя ванны определяется такими параметрами, как начальный импульс струи (скорость), плотность расплава, глубина ванны. Для оценки параметров дутья, при которых возможен пробой ванны, воспользуемся работой [5]. В ней приведена формула для оценки критической глубины ванны, при которой при данных условиях дутья начинается пробой,

где h_пр – глубина пробиваемого струей слоя металла, м; V_м – общий массовый расход дутья, кг/с; w_г – скорость газа на срезе сопла, м/с.

Пробой ванны наблюдается, если рассчитываемая величина h_пр превышает заданную глубину ванны. Форма взаимодействия показана на рис. 1, в. Импульс струи настолько велик, что она пробивает ванну насквозь. При этом ванна слабо перемешивается и количество газо-металлической эмульсии невелико. Моделирование этой фазы продувки также необходимо лишь для получения общей модели продувки: при таких интенсивностях продувку не ведут и пробоя стараются избегать. Для моделирования примем угол раскрытия струи при пробое равным 22-25° [4]. Причем дальнейшее увеличение интенсивности продувки практически не приведет к изменению этого угла. Таким образом, площадь боковой поверхности конуса, образованного струей, в данном режиме и будет площадью поверхности взаимодействия.

Рис. 1. Характер взаимодействия струи с ванной при различных интенсивностях продувки:

а – одиночные пузырьки, проходящие через расплав;

б – турбулентная продувка; в – пробой ванны.

Наибольшая поверхность взаимодействия имеет место в случае относительно небольших значений интенсивности продувки. Это объясняется тем, что в данном случае струя, обладая небольшим импульсом, слабо пробивает металл и превалирует объем эмульсии металл-газ (зона Б), который обладает большим коэффициентом смешения. При увеличении интенсивности продувки, струя поступает с большей скоростью, часть металла не захватывается струей, что приводит к росту зоны А и уменьшению зоны Б. При высоких интенсивностях продувки создаются условия, близкие к пробою ванны. При этом к моменту пробоя площадь поверхности взаимодействия фаз заметно уменьшается. С ростом глубины ванны растет и поверхность смешения фаз.

При переходе от продувки не ассимилируемым газом к продувке газом с определенным содержанием кислорода, в частности воздухом, картина продувки существенно меняется.