Диспергирование газа в жидкости

Распределение газовой фазы в аппарате с ростом скорости вращения
Распределение газовой фазы в аппарате с ростом скорости вращения мешалки

На рисунке представлены распределения газо­вой фазы в аппарате с ростом скорости вращения мешалки. При малой скорости (рисунок а)  не происходит диспергирования газа – он проскакивает аппарат практически без взаимодействия с жидкой фазой. С ростом скорости вра­щения мешалки, сначала газ охватывает только верхнюю часть аппарата  и распределяется по поперечному сечению верхним циркуляционным контуром (рисунок б), а затем динамического напора начинает хватать, чтобы увлечь пузыри газа в нижний циркуляционный контур (рисунок г). С ростом скорости вращения мешалки концентрация газа по объе­му выравнивается (рисунок д).

Зависимость потребляемой мощности от скорости подачи газа
Зависимость потребляемой мощности от скорости подачи газа с указанием режимов диспергирования газа

Следует отметить, что в зависимости от потребляемой мощно­сти и от скорости подачи газа газ может быть диспергирован в аппарате, а может всплывать в виде крупных пузырей, практически не взаимодействующих с жидкостью с точки зрения тепло- и массо­обменных процессов. На рисунке приведена зависимость потреб­ляемой мощности от скорости подачи газа с указанием областей диспергирования газа, выявленная в экспериментах с четырехлопас­тной мешалкой, диаметр которой составлял 1/4 от диаметра аппа­рата. Как видно из рисунка, увеличение скорости подачи газа интенсифицирует массообменные процессы только до некоторой пре­дельной скорости, после чего фаза перестает диспергироваться и интенсивность массообменных процессов резко падает.

Максимальное взаимодействие между пузырями происходит вблизи мешалки. Обнаружено, что процесс коалесценции пузырей увеличивается с ростом количества лопастей.

Выпишем несколько эмпирических зависимостей, характеризу­ющих процесс механического смешения газожидкостных систем. Газовые пузырьки заполняют полностью верхнюю половину аппарата (верхний циркуляционный контур, если частота вращения мешалки превосходит величину, определяемую из выра­жения:

N0D/(?g/?)1/4=А+В(D./D),

здесь ? — коэффициент поверхностного натяжения, D. — диаметр аппарата, D — диаметр мешалки, g — ускорение свободного падения, ? — плотность, для турбинных мешалок А=1,22, В= 1,25; для лопастных мешалок А =2,25, В=0,6. Величину N0 называют порогом дисперсности).

Частота вращения мешалки N., при которой газовые пузырьки заполняют весь объем аппарата, определяется из выражения:

определение частоты вращения мешалки

Здесь hM — высота установки мешалки от дна, Gg — скорость подачи газа (м3/час).

В аппаратах с перегородками, у которых верхний край выступа­ет над уровнем жидкости, вследствие захлопывания вихревых образований, создаваемых перегородками, происходит захват газа на поверхности перемешиваемой жидкости. Данное явление увеличи­вает газосодержание среды.

В реальных аппаратах среднее газосодержания в аппа­рате достигает значения  от 2-3 до 15-20%, оно возрастает с увеличением частоты вращения мешалки. При диспергировании газа в раство­рах электролитов газосодержание значительно выше, чем в чистых жидкостях, а наличие твердых взвешенных частиц снижает величи­ну газосодержания.

Дробление пузырьков происходит в результате наличия разно­сти динамических напоров, превосходящих капиллярное давление, деформирующее пузырек. Диаметр пузырька в зоне мешалки опре­деляется следующим эмпирическим выражением:

эмпирическое выражение диаметра пузырька

Здесь ?0=P/V, Р — потребляемая мощность, V — объем аппа­рата. При вложенной мощности 1 кВт/м3 диаметры пузырьков со­ставляют 1,5-2 мм, средний диаметр пузырька в основном объеме аппарата составляет 5-6 мм, то есть в 2-4 раза больше, чем в зоне мешалки. Это объясняется коалесценцией пузырьков при всплытии. Средняя частота коалесценции пузырьков составляет 6-10 с-1. Сле­дует отметить, что данная частота значительно выше частоты коалесценции капель взаимно нерастворимых жидкостей. В водных растворах электролитов и спиртов частота коалесценции меньше и размеры пузырьков уменьшаются.

Так как в разных частях аппарата размеры пузырьков разные, то и величина удельной поверхности контакта фаз в разных частях аппарата также разная.

Механическое перемешивание в систе­мах «газ — жидкость» обычно используется в случае, когда растворимость газа невелика, при этом скорость массоотдачи со стороны газовой фазы, как правило, не бывает лимитирующей. Так, при значении числа Шервурда Sh=25-30 коэффициент массоотдачи газовой фазы составляет 0,0001 м/с. Поэтому для повышения коэффициента мас­соотдачи в жидкой фазе и требуется интенсивное турбулентное движение жидкой фазы. Для расчета коэффициента массоотдачи используют уравнение:

уравнение коэффициента массоотдачи

Здесь Sc=?/(?DM) — число Шмидта, DM — коэффициент молеку­лярной диффузии жидкости (м/с2). На практике при расчетах часто используют объемный коэффициент массоотдачи ??=?F, где F — удельная поверхность контакта фаз.