Введение. Процессы массопередачи, использующие центробежные силы при взаимодействии различных фаз, отмечаются эффективностью, вызванную использованием центробежных ускорений, как одним из простых способов, позволяющих осуществлять интенсификацию массообмена [1-4]. В аппаратах такого типа массообмен осуществляется в газовых пузырьках, мелких каплях и пленочной жидкости, которые образовываются механическим способом за счет конструктивных устройств.
Актуальность. Сопоставляя эффективность типового колонного оборудования и современных массообменных устройств очевидны преимущества последних, которые работают стабильно при небольшой плотности орошения с ограниченным периодом вхождения в стабильный режим. Большим достоинством таких аппаратов является то, что в них можно осуществлять автономную регулировку расхода газовой и жидкой фаз, а также центробежного ускорения. Это позволяет осуществлять оптимизацию самих процессов массообмена с целью получения исходного продукта. Именно использование центробежных ускорений позволяет равномерно распределять фазовый контакт, при помощи разнообразных контактных устройств с учетом свойств фаз при контакте.
Обсуждение. Закономерности массообмена с применением центробежных конструкций контактного типа изучались авторами работы [4-7], размер которых составлял диаметр порядка 200мм. Кинетика массообмена они определяли при помощи высоты единицы переноса.
Данными авторами [4,8] была создана модельная система, с помощью которой производилась оценка сопротивления, создаваемая газовой фазой. С помощью данной системы изучался процесс десорбции аммиака из водного раствора в поток воздуха. На рисунке 1 представлена зависимость высоты единицы переноса hG от скорости газа при различных нагрузках по жидкости. На основании графика очевидно, что возрастание скорости газа снижает эффективность массоотдачи, а увеличение плотности орошения приводит к ее возрастанию [4,9].
На рисунке 2 представлена зависимость hG от нагрузочной способности жидкой фазы при различном числе оборотов ротора. Результаты исследований позволили выяснить уменьшение единиц переноса с возрастанием плотности и возрастания количества оборотов ротора [10]. Таким образом, интенсивность массоотдачи увеличивается, а значит и значение hG, которое становится от 25 до 30мм, при количестве оборотов ротора, равное 5000 об/мин. Типовые насадочные колонны осуществляют процесс абсорбции при высоте единиц переноса, равных 400-600 мм.
а - 2,2 м3/с; б - 3,3 м3/с; в - 4,4 м3/с; г - 5,5 м3/с; д - 6,6 м3/с
Рисунок 1 - Зависимость высоты единиц переноса в газовой фазе в аппарате с контактным элементом типа 1 от скорости газа при n= 1000 об/мин и различных нагрузках по жидкости: QL105[4,9].
Точность данного выражения, описывающего результаты экспериментов, составляют ±10%.
В следующем примере представлены результаты исследования массоотдачи при десорбции диоксида углерода из воды в воздух, с контролем сопротивления в жидкой фазе. Зависимость hL от скорости газа, отраженные на рис.3 показали, что при увеличении расхода газа высота единиц переноса в жидкости также увеличивается. Установлено инертное отношение эффективности массоотдачи к плотности орошения и значения hL от нагрузки жидкой фазы, но их снижение с возрастанием вращательной скорости [4]. Это утверждение продемонстрировано на рис.3 [4]. При увеличении количества оборотов ротора от 2 тыс до 5 тыс.об/мин, значение hLснижается в 3 раза от 30 до 10 мм. Обобщая эти результаты очевидно, что среднее значение hL при min массоотдаче в жидкости в центробежных аппаратах находится в диапазоне 15-20 мм, а в типовых колоннах оно достигает при десорбции углекислого газа примерно 100-200 мм [4].
Для выполнения расчета, касающегося эффективности массоотдачи в газовой фазе, предлагается корреляционная зависимость:
hG/de=1,522ReG 0,39 ReL-0,3 Fr -0,11ScG 0,66 (1)
а - 2000 об/мин; б - 3000 об/мин; в - 4000 об/мин; г - 5000 об/мин
Рисунок 2 – Зависимость высоты единиц переноса в газовой фазе в аппарате с контактным элементом типа 1 от нагрузки по жидкости при WG=2,25 м/с и различных частотах вращения ротора n.
Эффективность коэффициентов массоотдачив жидкости предложено определять по следующему корреляционному выражению [4]:
hL/de=0,181∙10-3 ReG0,59 ReL-0,42 Fr-0,11ScG0,5 (2)
Следовательно, массоотдача в жидкости аппаратов центробежного типа на порядок больше, чем у массообменного оборудования колонного типа, что дает предпосылки для использования их в ряде технологий. Сюда же можно включить и высокую интенсивность тепло и массообмена, перемешиваемость и качественное обновление в процессах барботажа [9-12].
а - 2,2 м3/с; б - 3,3 м3/с; в - 4,4 м3/с; г - 5,5 м3/с; д - 6,6 м3/с
Рисунок 3 – Зависимость высоты единиц переноса в жидкой фазе в аппарате с контактным элементом типа 1 от скорости газа при n = 1000 об/мин и различных нагрузках по жидкости: QL105 [4].
а - 2000 об/мин; б - 3000 об/мин; в - 4000 об/мин; г - 5000 об/мин
Рисунок 4 – Зависимость высоты единиц переноса в газовой фазе в аппарате с контактным элементом типа 1 от нагрузки по жидкости при WG=2,25 м/с и различных частотах вращения ротора n [82].
В выражении определения числа Нуссельта Nu =αdn/λr и числа РейнольдсаRe =wndn/vr, в работе [10] доказывается преимущества барботажных конструкций, использующих вращающиеся потоки, а также делается вывод о том, что показатели массообмена корректируются растворимостью газа и массообменом, осуществляемым в жидкости. Данное утверждение сделано на основе экспериментальных исследований по водной абсорбции диоксида азота, степень поглощения которого составляет 12-13%, что явно незначительно и говорит о несовершенстве процесса, объясняемым как незначительным периодом использования газа, так и незначительной растворимостью NO2 в H2O. Данные обстоятельства требуют учета времени нахождения газовой фазы в слое, имеющем вращение, а также период протекания эффективной фазы самого процесса. Хорошие результаты показали исследования при улавливании аэрозолей, улавливаемых на 100% [9-11].
Выводы. Таким образом, закручивая в единый вихревой слой газ и жидкость, появляется возможность активизировать работу аппаратов барботажного типа, отличающихся устойчивой работой и существенно высокими скоростями потоков газа, достигающих около 5 м/с. Кроме того, они имеют развитую поверхность между фазами, стабильные габариты пузырьков газа, компактны, эффективный тепломассобмен в газовом потоке и небольшую материалоемкость.