Материал: Тишин ВБ Новоселов АГ Процессы переноса в технолог аппаратах

и некоторые отличия, связанные с условиями стеснѐнности в щелевых каналах.

Несмотря на достаточно большое количество работ, посвященных гидродинамике газожидкостных потоков, установлению границ между структурами уделяется сравнительно мало внимания. В литеpатуpе описываются различные методы определения границ между режимами течения по графикам, номограммам и формулам. Большей частью они представляют собой зависимости между безpазмеpными параметрами, хаpактеpными для гидродинамики двухфазных потоков, и сложны при использовании. Познакомиться с ними можно в работах [5, 9, 10]. В качестве примера можно указать работу [10], в которой авторы для приближенного определения границ режимов при нисходящем течении водовоздушных смесей в вертикальных трубах приводят диаграмму в виде зависимости wж f (wг ). Авторы выделили в нисходящих потоках четыре струк-

туры течения: пузырьковый, снарядный, переходный и пленочный (стержневой).

Такой же методикой пользуются авторы работ при определении границ структуры газожидкостных смесей в плоских и гофрированных каналах [9]. Если сравнивать между собой структуры газожидкостных потоков в трубах и плоских каналах, то можно обнаружить между ними большое сходство. Переходы от одной структуры к другой происходят примерно при одинаковых значениях приведѐнных скоростей жидкости и газа. Правда, внешний вид потоков может несколько различаться. Так, при снарядной структуре в плоском канале большие пузыри сплюснуты, назвать их снарядами можно

сбольшой натяжкой.

Вплоских и гофрированных каналах пленочная структура имеет место в центральной их части, по краям наблюдается пузырьковая или пенная (прил. 1–4). И в тех, и в других каналах не рекомендуется снижать приведѐнную скорость жидкости ниже 0,4 м/с, так как осуществляется переход к плѐночному режиму, вследствие чего в аппаратах возникают сильные пульсации. Как в трубах, так и в щелевых каналах при нисходящем течении пузырьки газа распределены по сечению потока более равномерно, чем в восходящем.

Вгофрированных каналах границы переходов от одной структуры к другой менее ярко выражены, чем в трубах и плоских каналах. Вызвано это взаимодействием потока с гофрами и постоянным дроб-

76

лением крупных пузырей на мелкие. В гофрированных каналах чѐтко просматривается только пузырьковая структура, границы между другими структурами сильно размыты (см. [9] и прил. 1–4).

2.6.4. Газосодержание газожидкостных потоков

Газосодержание слабо зависит от режимов движения, структуры потока и состояния поверхности канала. В частности, уравнения для расчета газосодержания в трубах с круглым поперечным сечением охватывают диапазон изменения структуры от пузырькового до пленочного включительно и режимов – от ламинарного до турбулентного. Однако оно может существенно отличаться в каналах с разной формой поперечного сечения при одинаковых расходах жидкости и газа [5, 9, 10].

Взначительно большей степени на величину газосодержания

ина распределение газовой фазы по сечению потока влияет направ-

ление движения газожидкостного потока. В качестве примера на рис. 2.9 показано распределение газосодержания по сечению трубы при восходящем и нисходящем течении.

Рис. 2.9. Изменение газосодержания по сечению трубы

всистеме вода–воздух:

○– нисходящее; • – восходящее течение; wг 0,146 м/с; wж 0,323 м/с

77

Из рис. 2.9 видно, что при нисходящем течении газосодержание постоянно по сечению, при восходящем оно изменяется от минимального значения у стенки до максимального в центре трубы. Причѐм в нисходящем потоке среднее газосодержание значительно выше, чем в восходящем.

Изменение структуры потока и газосодержания может существенным образом сказаться на величине поверхности контакта фаз. В аппаратах, предназначенных для проведения тепло- и массообменных процессов между газом и жидкостью, знание границ перехода от одного режима к другому имеет не только чисто академический интерес, но и практический. Напpимеp, при переходе от пузырькового режима к плѐночному величина ПКФ может упасть в несколько раз, что должно сказаться отрицательно на интенсивности процесса культивирования микроорганизмов в целом.

Барботажные аппараты. Для расчета газосодержания в барботажных аппаратах колонного типа, наиболее распространенных в микробиологической промышленности, можно рекомендовать уравнение В.В. Консетова [7, с. 189–195], полученное аналитически

Для вычисления истинного объемного газосодержания в трубах, например при газировании напитков диоксидом углерода, при восходящих потоках можно рекомендовать уравнение [10, с. 92]

78

при нисходящих течениях [10, с. 117]

Щелевые каналы. В щелевых каналах газосодержание несколько выше, чем в трубах. Объяснить это можно тем, что в узких каналах сказываются пристеночные эффекты, тормозящие движение газа относительно жидкости, что приводит к его задержке и, как следствие, увеличению газосодержания [9, с. 83–84].

Вканалах с плоской поверхностью при восходящем течении

ипузырьковой структуре ( wг < 0,1 м/с)

Газосодержание в гофрированных каналах вычисляют по эм-

пирическим формулам, полученным на основе опытных данных по измерению газосодержания методом отсечек.

В восходящих течениях смесей при любых режимах

79

В нисходящих потоках

В процессах, протекающих при аэробном культивировании микроорганизмов, газосодержание является важным гидродинамическим параметром, но не единственным. Не мене важными являются параметр межфазной турбулентности и размеры пузырей. Под размером будем понимать некий усреднѐнный диаметр сферического пузыря.

Знание диаметра пузыря необходимо при расчете УПКФ по уравнению (2.92). Кроме того, диаметр пузырей входит в качестве определяющего размера в критериальные уравнения для определения коэффициентов массообмена в жидкой и газовой фазах. Задача по их определению решается, как правило, эмпирически, а вид формул зависит от конструкции аппарата, методов диспергирования газов, физических свойств фаз и т. п. Недостаток таких решений в том, что они пригодны только для конкретного аппарата и для конкретных условий его работы. Более перспективными являются полуэмпирические методы, основанные на решении дифференциальных уравнений гидромеханики. В этом случае экспериментальному определению подлежат лишь коэффициенты пропорциональности, являющиеся результатом определенных допущений, сделанных при выборе граничных условий.

Однако аналитические решения по определению dп в литера-

туре встречаются крайне редко. Они должны опираться, прежде всего, на ясно разработанную физическую модель взаимодействия поверхности раздела фаз с турбулентной средой. Представить подобную модель довольно трудно из-за сложных гидродинамических процессов, протекающих в газожидкостных средах. Такая попытка была сделана в работах С.А. Анисимова, В.П. Меткина и В.Б. Тиши-

на [9, с. 92–105].

Решения В.П. Меткина основаны на общих положениях теории турбулентности и установлении связи между удельными энергетическими затратами и размерами пузырей. Причѐм физическую модель, поясняющую механизм дробления пузырей, автор не предлагает.

80