Влияние свойств жидкости и газа на гидродинамику структуры потоков

Анализ влияния вязкости жидкости на коэффициент продольного перемешивания Е (коэффициента диффузии) показал, что его значение в миллионы раз выше, чем значение коэффициента молекулярной диффузии (D) в жидкостях. Газ, пропускаемый сквозь жидкость, сообщает ей энергию, намного превосходящую энергию молекулярных колебаний. Так, если значение коэффициента молекулярной диффузии в неподвижных жидкостях составляет КГ⁴… КГ⁵ скг/с, то значение коэффициента диффузии ?=10…Ю³ см²/с.

Поэтому не приходится ожидать сильного влияния на процесс перемешивания двухфазной системы газ (пар)-жидкость молекулярных свойств отдельных фаз, а именно вязкости ц, плотности р и поверхностного натяжения ст = С (р_ж — р")⁴, где С — постоянная; р_ж, р_п — плотности соответственно жидкости и пара.

В частности, эксперимент показал, что изменение вязкости жидкости в 30 раз приводит к изменению Е всего в 1,4 раза.

Коэффициент молекулярной диффузии обратно пропорционален вязкости. По Стоксу, где к — постоянная Больцмана; Т — температура, К; // - динамический коэффициент вязкости, Н ем²; г — радиус диффундирующей молекулы, см;

по Уилку, где F- фактор диффузии, определяемый по диаграмме Уилка.

В турбулентном потоке коэффициент продольного перемешивания можно определить как.

где v — ц/р — коэффициент кинематической вязкости; l_d — линейный размер, включающий диаметр трубы и длину пути жидкости.

где и — скорость потока жидкости, м/с; d- диаметр трубы, м; Я — коэффициент гидравлического сопротивления, определяемый в соответствии с законом Блазиуса: X = 0.3164 Яг «°²⁵.

Тогда Таким образом, коэффициент продольного перемешивания пропорционален вязкости в степени 0,125. Такой же показатель степени сохраняется и для барботажного слоя.

Основные выводы, которые можно сделать из большого числа исследований [28], следующие:

• 1) коэффициент продольного перемешивания (?) почти не зависит от вязкости жидкости;
• 2) коэффициент продольной диффузии (?) в газе меньше, чем в жидкости;
• 3) коэффициент продольного перемешивания обратно пропорционален скорости жидкости. Например, с увеличением скорости потока жидкости в трубе Е снижается из-за снижения влияния стенок трубы.

W L

Проведем анализ зависимости числа Пекле (Ре = ——), полученного.

в результате учета диффузионной составляющей конвективного потока (раздел 4.1.5). Коэффициент продольного перемешивания широко используется для описания структуры потока жидкости диффузионной моделью в барботажных аппаратах (тарелки с переливом) в процессах ректификации, абсорбции и т. д.

Анализ показывает, что при Ре -? 0 в аппарате достигается полное перемешивание жидкости, а при Ре -> оо — идеальное вытеснение. Для достижения этих режимов необходимо, чтобы величина Е была обратно.

( 1 ^.

пропорциональна линейной скорости потока W_t (е = / —)• Тогда при.

I*. >

полном перемешивании жидкости (? ->оо) W_x -> 0, а при идеальном вытеснении (? -* 0) fV_t -? оо.

Исследования трех американских университетов [6], проводимые в течение пяти лет, показали, что вязкость, плотность и поверхностное натяжение, не оказывают существенного влияния на степень перемешивания жидкости на барботажных тарелках. Поэтому изучение структуры потока жидкости на барботажных тарелках для реальных систем можно проводить на модельной системе воздух — вода, вместо дорогостоящих исследований на реальных системах. Как показал литературный обзор, такие дорогостоящие и небезопасные исследования структуры потока жидкости на реальных системах широко проводились в середине XX столетия.