Большая техническая энциклопедия
0 1 3 4 9
D V
А Б В Г Д Е Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ь Э Ю Я
МА МГ МЕ МИ МН МО МЫ МЯ

Межфазная турбулентность

 
Межфазная турбулентность возникает при свободном движении потоков одной жидкости ( газа) в среде другой жидкости на поверхности раздела фаз. Вследствие торможения потока образуются пары сил, вращающие слои потоков, что ведет к образованию вихрей.
Турбулентная компонента скорости пульсации w., в зависимости от времени.| Степень турбулентности Тах для потока в канале. Межфазная турбулентность наблюдается на граничных поверхностях двухфазных жидких систем ( в пленочных или дисперсных потоках) в результате беспорядочного стохастического движения жидкости в непосредственной близости от стенки аппарата или твердой поверхности дисперсной частицы.
Явления на границе двух жидких фаз. Спонтанная межфазная турбулентность появляется у целого ряда трехкомпонентных систем, причем появление ее и интенсивность заметно зависят от концентрации компонента, переходящего из одной фазы в другую. Ход явлений не зависит от направления движения молекул относительно кривизны поверхности.
Межфазной турбулентностью Кафаров [128-130] называет предложенную им схематическую качественную картину взаимодействия в системах газ - жидкость и жидкость - жидкость, согласно которой вследствие трения и образующихся при этом пар сил происходит вихреобразование и значительное увеличение поверхности контакта фаз. Однако модель Кафарова недостаточно обоснована и не подтверждена какими-либо попытками приближенного расчета или качественного эксперимента.
Если межфазная турбулентность не появляется, то направление массо-обмена определяется природой жидкостей.
Источником межфазной турбулентности является возникновение вихрей, порождаемых нестабильностью свободной поверхности или поверхности раздела.
Понятие межфазной турбулентности не имеет точного общепринятого определения. Этот термин разные исследователи применяют при описании различных, зачастую совершенно не связанных между собой явлений, природа и механизм которых мало или совсем не изучены. Термин межфазная турбулентность употребляют в смысле упомянутого уже выше утверждения, что массоперенос между фазами осуществляется путем турбулентной диффузии.
Источником межфазной турбулентности является возникновение вихрей, порождаемых нестабильностью свободной поверхности или поверхности раздела.
В отсутствие межфазной турбулентности ( / 0) поправочный множитель ( 1 /) обращается в единицу.
Представления о межфазной турбулентности впервые были развиты в Советском Союзе в связи с исследованиями работы насадочных колонн.
Количественный учет межфазной турбулентности может быть произведен на основании следующих рассуждений.
Количественная оценка интенсивности межфазной турбулентности может быть учтена через расход энергии, необходимой для приведения в контакт двух фаз. Этот расход энергии может быть, в свою очередь, определен через потерю напора в контактных устройствах.
Особенно важна зависимость межфазной турбулентности от направления массопередачи. Как правило, скорость массопередачн выше, когда перенос происходит в направлении от сплошной к дисперсной фазе. Это важно учитывать при выборе, какую фазу лучше диспергировать.

Для описания явления межфазной турбулентности в последнее время используют модель вращающихся ячеек [6; 145], согласно которой вихри жидкости доставляются на ее поверхность из основной массы за счет пульсаций скорости. Это приводит к появлению зон с различными значениями поверхностного натяжения ст, вследствие чего возникает перемещение массы жидкости в направлении зон с большим поверхностным натяжением а. Поверхность жидкости, согласно этой модели, представляет собой множество вращающихся ячеек ( ячеек Бенарда), размеры которых вдоль соответствующих осей равны половине длины волны.
Сильное влияние на межфазную турбулентность оказывают поверхностно-активные вещества, поэтому их наличие сказывается на работе экстрактора. В этом одна из причин того, что результаты, полученные в исследовательских лабораториях, работающих с чистым веществом на малогабаритных экстракторах, можно с большой осторожностью переносить на операции заводского масштаба с промышленными растворами.
В соответствии с теорией межфазной турбулентности предполагается, что на границе раздела фаз имеются интенсивные турбулентные пульсации, которые приводят к возникновению вихревого движения, сопровождающегося взаимным проникновением вихрейг - в обе фазы. Количественный учет межфазной турбулентности может быть произведен с помощью безразмерного фактора гидродинамического состояния двухфазной системы. На основе теории межфазной турбулентности получены выражения локальных коэффициентов массоотдачи для различных гидродинамических режимов движения потоков, отличающиеся показателем степени при коэффициенте диффузии, который изменяется от нуля в режиме развитой турбулентности до 2 / 3 в ламинарном режиме. Кроме того, вводятся факторы, зависящие от гидродинамической: структуры и физических характеристик фаз.
Таким образом, количественный учет межфазной турбулентности может быть произведен при помощи результирующего безразмерного фактора - фактора гидродинамического состояния двухфазной системы.
Характерной чертой турбулентного режима является наличии межфазной турбулентности. На скорость массопередачи здесь в первую очередь оказывает влияние интенсивность спонтанной межфазной конвекции и в меньшей степени гидродинамические условия в объемах фаз.
Полученный экспериментальный результат соответствует условию существования развитой межфазной турбулентности вблизи границы раздела.
Возникающая нестабильность фазовой границы приводит к развитию межфазной турбулентности, ускоряющей массопередачу.
В настоящее время предложен и разрабатывается механизм возникновения межфазной турбулентности, основанный на предположении, что турбулентность возникает благодаря несоответствию поверхностного сопротивления движущей силе массопереноса. Поток диффундирующего вещества производит удары по границе, вызывая колебания последней. Движение поверхности раздела передается пограничным слоям фаз.
Схематический разрез ячеек Бекара по обе стороны межфазной границы. С увеличением расстояния от межфазной поверхности эффективность воздействия межфазной турбулентности уменьшается, тогда как рейнольдсовская турбулентность на твер-дой. Межфазная турбулентность ослабевает с уменьшением потока субстанции ( импульса, теплоты, массы) через межфазную поверхность при достижении термодинамического равновесия.
В настоящее время предложен и разрабатывается механизм возникновения межфазной турбулентности, основанный на предположении, что турбулентность возникает благодаря несоответствию поверхностного сопротивления движущей силе массопереноса. Поток диффундирующего вещества производит удары по границе, вызывая колебания последней. Движение поверхности раздела передается пограничным слоям фаз.
Полученная зависимость кинетических коэффициентов указывает на предпочтительность модели межфазной турбулентности вблизи границы раздела фаз.
Аношину при симметричном ударе струи о стенку на увеличение межфазной турбулентности используется только половина кинетической энергии потока, а при касательном ударе вся кинетическая энергия.
При рассмотрении этого вопроса необходимо принять во внимание явление межфазной турбулентности, которое ускоряет массообмен, а также изменение поверхностного натяжения. Межфазная турбулентность появляется при экстракции из капли в сплошную фазу при высоких концентрациях, поэтому в случае ее появления следует ожидать, что это направление будет преобладать.
На фото 6.20 можно легко заметить наличие трех режимов: межфазная турбулентность наблюдается на выходе в смесителе, затем заметны индивидуальные эрупции, которые впоследствии полностью исчезают.

Помимо рассмотренных явлений на состояние двухфазных систем большое влияние оказывает межфазная турбулентность. Под последней понимается турбулизация поверхностного слоя жидкости под действием градиента поверхностного натяжения, возникновение которого вызвано следующими причинами: 1) массопере-носом за счет изменения поверхностного натяжения с составом; 2) наличием градиента температуры за счет изменения поверхностного натяжения с температурой; 3) поверхностной эластичностью, обусловленной уменьшением в поверхностной пленке концентрации вещества, понижающего поверхностное натяжение, при деформации этой пленки. Как показывают наблюдения, вихре-образование на поверхности происходит со стороны фазы с меньшим поверхностным натяжением. Межфазная турбулентность усиливается с увеличением концентрационной зависимости поверхностного натяжения, а также с уменьшением вязкости фаз и поверхностного натяжения между ними.
Кафаров [116] производит анализ процессов массопередачи на основе представлений о межфазной турбулентности. Взгляды Кафарова применимы к взаимодействию газов и жидкостей в пенном слое и в других современных способах интенсивной обработки газожидкостных систем в режимах турбулизации, взаимного проникновения фаз, быстрого обновления поверхности. Но необходимость учета всех влияющих факторов усложняет расчеты.
В общем случае неупорядоченная межфазная конвекция в виде эрупции или межфазной турбулентности наблюдается в обоих направлениях массопереноса, хотя для инициирования возмущений в устойчивом направлении переноса требуются более высокие концентрации. Диффузионные слои, окружающие каплю, отводятся под влиянием силы тяжести.
Впервые систематизирован материал по анализу процессов массопередачи на основе представлений о межфазной турбулентности и развитой свободной турбулентности, являющихся следствием теории вихрей.
В основу классификация аппаратов для проведения процессов массопередачи положены представления о межфазной турбулентности, что позволило систематизировать все многообразие диффузионной аппаратуры.
В модели Кафарова в основу положено предположение о наличии при массообмене развитой межфазной турбулентности, приводящей к изменению вязкости, плотности и поверхностного натяжения.
В системах с подвижной межфазной поверхностью определяющую роль в кинетике массопередачи играют свободная и межфазная турбулентность.
Это является результатом уменьшения при таком направлении размеров капель 1129 ] или межфазной турбулентности. При противоположном направлении экстракции ( эфир-вода) оказывается выгоднее применить эфир в качестве сплошной фазы. Для этой системы установлено влияние концентрации уксусной кислоты в воде. Степень экстрагирования увеличивается с увеличением концентрации.
В настоящее время можно точно определить необходимые и достаточные условия для возникновения межфазной турбулентности.
В результате исследований, проведенных в последнее десятилетие, показано огромное влияние межфазной турбулентности на коэффициент массопередачи. Межфазная турбулентность вызывает увеличение коэффициентов массопередачи с ростом концентрационной движущей силы. В результате этого может наблюдаться изменение коэффициента массопереноса и величин ВЕП и ВЭТС в различных точках экстрактора.
Фракционная эффективность улавливания. Это связано с увеличением количества жидкости, удерживаемой аппаратом, и развитием межфазной турбулентности. Оптимальной величиной удельного орошения для проведения процессов пылеулавливания в аппаратах со взвешенной насадкой является 0 5 - г - 0 9 кг воды / кг воздуха.
В настоящее время можно точно определить необходимые и достаточные условия для возникновения межфазной турбулентности.
Энергия крупномасштабных движений, находящихся у границы раздела жидкостей ( в области межфазной турбулентности) и направленных по нормали к поверхности раздела, затрачивается на деформацию поверхности. Энергия турбулентных пульсаций, действующих на поверхности раздела со стороны турбулентного потока, расходуется на совершение работы по преодолению сил межфазного натяжения в связи с увеличением поверхности раздела при ее деформации и сил тяжести, обусловленных разностью плотностей взаимно внедряющихся жидкостей. Под действием отдельной турбулентной пульсации поверхность раздела прогибается сначала по форме шарового сегмента ( см. рис. 17), затем с ростом интенсивности турбулентности при увеличении скорости течения в результате значительного прогиба поверхности в сдвиговом потоке может образоваться капля.
Увеличение скорости движения приводит к появлению на поверхности раздела волн, вызываемых межфазной турбулентностью и относительным движением фаз. При / С 3 для рК ( м) 0 5 деформация поверхности раздела достигает такой величины, что лроисходит образование капель. Важно отметить, что область существования раздельного течения с гладкой поверхностью раздела в координатах / С - ркм) для различных систем, состоящих из двух взаимно нерастворимых жидкостей, как в ламинарно-турбу-лентном, так и в турбулентно-турбулентном течениях ограничена практически одной и той же кривой. К - рК ( м граница перехода от раздельного течения с гладкой поверхностью раздела к раздельному течению с эмульсионной поверхностью раздела практически не сдвигается. Это указывает на обобщающее значение критерия Кута-теладзе. Одновременно образуются капли двух видов: масла ( керосина) и воды. Характерно, что размер капель воды меньше, чем размер ка-лель масла. При этом капли воды перемещаются в основном вблизи центра границы раздела, совершая синусоидальные движения в горизонтальной плоскости. Капли масла движутся ближе к стенкам трубы. Наряду с одиночными каплями масла и воды образуются и так называемые множественные эмульсии, когда в каплях масла содержится одна или несколько капель воды, в которых, в свою очередь, могут находиться капли масла с включенными в них мельчайшими каплями воды. С ростом скорости размер образующихся капель уменьшается, но их число быстро возрастает. Таким образом, раздельное течение с четкой границей раздела переходит в раздельное течение е эмульсионной границей раздела. Эмульсионный слой в этой форме течения представляет собой эмульсию с плотной упаковкой капель.

Анализ движения зоны реакции показывает, что в большинстве случаев, когда наблюдается межфазная турбулентность, начальная скорость переноса примерно в 2 раза выше предсказанной теоретически. Межфазная турбулентность наблюдается только в системах с химической реакцией и, возможно, вызывается диффузией продуктов реакции через границу раздела фаз.
Более близка к практическому приложению теория В. В. Ка-фарова [70], основанная на представлениях о межфазной турбулентности. Турбулентность, которая возникает на поверхности раздела фаз при их движении, носит особый характер. В этих системах развивающееся вихревое движение приводит к взаимному проникновению вихрей одной фазы в другую. При этом турбулентные пульсации не гасятся. Вследствие этого образуется паро ( газо) - жидкостная эмульсия, представляющая подвижную систему газо-жидкостных вихрей - этот режим Кафаров называет режимом эмульгирования.
Таким образом, при анализе работы диффузионной аппаратуры так или иначе вводится учет межфазной турбулентности.
В последнее время появляются работы 10 -, в которых отмечается существенное влияние межфазной турбулентности, возникающей в результате действия градиентов и флуктуации составов фаз.
 
Loading
на заглавную 10 самыхСловариО сайтеОбратная связь к началу страницы

© 2008 - 2014
словарь online
словарь
одноклассники
XHTML | CSS
Лицензиар ngpedia.ru
1.8.11