Науково-технічні основи інтенсифікації масообміну в газорідинних апаратах з регулярними насадками

Розділ 2
Коливально-хвильові явища в газорідинних системах
Перспективним напрямком інтенсифікації масообмінних процесів є створення
додаткової турбулізації потоків за допомогою коливань. Коли­вання можуть
виникати спонтанно або накладатись штучно.
Технологічні процеси завжди супроводжуються локальними змінами параметрів
(зокрема об’ємів) системи, внаслідок чого виникають коливання різної природи,
які поширюються в пружному середовищі у вигляді хвиль і, в свою чергу,
впливають на інтенсивність перебігу процесу у більш відда­лених зонах [125 ?
127, 150, 210]. На міжфазних поверхнях утворюються капілярні і гравітаційні
хвилі [71, 72, 139], в середині фаз – неперервні і динамі­чні хвилі [26, 185].
Хвилі різної природи і різних параметрів взаємодіють між собою і з середовищем,
утворюючи складні явища, аналіз яких обмежується окре­мими спрощеними
випадками.
Вивчення закономірностей утворення, поширення і взаємодії хвиль сприяє
розробленню методів інтенсифікації технологічних процесів за до­помогою
штучного накладання хвиль.
Для аналізу коливально-хвильових явищ, що можуть виникати вна­слідок зміни
концентрації (витрати) компонента в процесі масообміну, за­стосуємо положення
та методи механіки рідин і газів [26, 63, 94, 95, 98, 171, 181, 185, 189].
2.1. Інтенсифікація масообміну за допомогою коливань різного масштабного рівня
У процесі масообміну речовина переноситься у кілька стадій. Напри­клад,
абсорбція компонента із газової фази у рідкий сорбент (система газ-рідина)
складається із послідовного проходження чотирьох стадій: пе­ренесення маси
компонента всередині потоку газової фази до зони швид­кої зміни концентрації,
тобто до дифузійного примежового шару газу біля поверхні поділу фаз; перехід
компонента крізь дифузійний примежовий шар газової фази; перехід крізь
дифузійний примежовий шар рідкої фази; перенесення компонента (вирівнювання
концентрації компонента) всере­дині рідкої фази від примежового шару в ядро
потоку.
Всі стадії масопередачі здійснюються послідовно, тому загальна швидкість
процесу встановлюється на рівні швидкості найповільнішої стадії. Завдання
інтен­сифікації зводиться до прискорення перенесення компонента у
найповіль­ніших стадіях процесу [130].
Коефіцієнти дифузії (компонента) у газовій фазі на кілька порядків пе­ревищують
коефіцієнти дифузії у рідинах, тому повільніше перенесення компонента частіше
спостерігається у рідкій фазі. Щоб прискорити процес рідку фазу приводять у
рухливіший стан (турбулізують) переважно перемі­шуванням. Якщо процес
масообміну стримується опором перенесенню компонента у газовій фазі, то слід
турбулізувати газову фазу.
Як правило, при абсорбції добре розчинних газів опір зосереджується переважно у
газовій фазі, а погано розчинних – у рідкій. Співвідношення опорів на різних
стадіях процесу залежить також від концентрації компоне­нта. При малих
концентраціях (відносно рівноважної) рівняння фазової рів­новаги розчинення
газів описується відрізком прямої лінії і гази можна вва­жати добре розчинними.
У разі збільшення концентрації компонента в рід­кій фазі опір його розчиненню у
рідині зростає.
На розподіл опору впливають також гідродинамічні умови контакту­вання.
Наприклад, якщо у плівковому апараті опір перенесенню речовини зосереджений у
рідкій фазі (абсорбція СО2 водою із суміші з повітрям), то додаткова
турбулізація газового потоку не дає відчутного результату. Але, якщо швидкість
руху газової фази збільшити настільки, щоб газ інтенсивно впливав на течію
рідини (режим інтенсивної взаємодії фаз), то масооб­мін у рідкій фазі також
прискориться; проте цей варіант супроводжується невиправдано високою витратою
енергії.
Щоб перенесення маси проходило з однаковою швидкістю в усіх точках апа­рата,
перемішування повинно бути однаково інтенсивним в усьому об’ємі. Завдання
перемішування полягає не просто у створенні турбулентності, а й у забезпеченні
однакового ступеня турбулентності в усіх зонах контакту фаз. Проте, досягти
такого стану, як правило, дуже важко.
При турбулентному режимі течії перенесення маси є результатом пе­ребігу
одночасно двох різних за масштабним рівнем процесів: 1) конвекти­вного
перенесення крупних елементів потоку зі спрямованою течією сере­довища; 2)
накладання на нього рухів різного масштабу [22]. Залежно від переважаючої
довжини шляху (або часу) існування окремих елементів по­току (струменів,
пульсацій) і їх впливу на перенесення енергії та маси роз­різняють макро- і
мікромасштабні пульсації та відповідно, макро- і мікрорі­вень перемішування.
При пульсаціях на мікрорівні розмір окремих елементів потоку нехто­вно малий
порівняно з розмірами апарата, але сумірний з розмірами дис­персних частинок і
товщиною примежових шарів. Пульсації на мікрорівні проникають у примежовий шар,
активізують і оновлюють поверхню кон­такту фаз, збільшують градієнт
концентрації (рушійну силу процесу масоо­бміну) поблизу примежового шару.
Розмір елементів потоку макрорівня сумірний з розмірами апарата. Макропотоки
вирівнюють концентрацію компонента у ядрі потоку, збільшу­ють рушійну силу в
об’ємі апарата впливаючи на структуру потоків, яка може змінюватись від режиму
ідеального витіснення до режиму ідеального перемішування. Проміжні значення
структури потоків характеризують кри­терієм Пекле.
Щоб охарактеризувати масштабний рівень масообміну можна ско­ристатись аналогією
з роботою насоса. У цій аналогії більша продуктив­ність насоса (макрорівень)
відповідає більшій кратності циркуляції, а вищий напір – вищому ступеню
турбулентності. Щоб інтенсифікувати макропере­несення вибирають пристрої з
більшою