Влияние тепло- и массообмена меяеду фазами на кинетику массопередачи

Для того, чтобы устранить несоответствие между классической теорией массопередачи и экспериментальными данными, необходимо, во-первых, учитывать теплообмен между фазами. Многими исследователями отмечается наличие максимума коэффициента массопередачи или эффективности процесса в области средних концентраций, что может быть объяснено, в частности, теплообменом между фазами.

Метод расчета насадочных колонн, основанный на теплообмене между фазами, впервые был предложен в работе японских ученых К. Онда и др.*

Термический поток компонента из жидкой фазы в паровую вследствие теплообмена между фазами определяется по формуле:

Согласно этой модели испарение происходит из ядра потока жидкости, а конденсация - из ядра потока пара. Такое допущение справедливо для сильно турбулизованных гетерогенных сред.

Э. Рукенштейн и О. Смигельский** предложили определять поток массы dM легколетучего компонента из жидкой фазы в паровую через теплообмен между фазами и с учетом различия величин тепл от испарения компонентов г, г2 по формуле:

где ос, - коэффициент теплоотдачи в жидкой фазе; ty, tx - температура пара вблизи границы раздела фаз, ядра потока жидкости соответственно; у ,

Onda К., Sada Е. Film condensation in vertical tube // Каааки. - 1968. - Vol.32. - p. 1211 - 1221.

’’ Рукенштейн Э, Смигельский О. К вопросу эффекта Савистовского-Смита при ректификации смесей//Журнал прикл. химии. -1964.-Т.37, с. 1530... 1537.

а термический поток по уравнению:

х* - равновесная концентрация пара и жидкости на границе раздела фаз; F- поверхность контакта фаз по высоте колонны,

В основу этой модели было положено предположение, что испарение происходит из ядра потока жидкости, а конденсация - с поверхностного слоя пара вблизи границы раздела фаз. Однако авторы лишь качественно исследовали свою модель в связи с отсутствием экспериментальных данных о теплообмене между фазами.

В. Мал юсов с сотрудниками предложил модель для пленочной ректификации, согласно которой конденсация пара и испарение жидкости происходят только в пограничных слоях, примыкающих к поверхности раздела фаз. Выражение для термического потока имеет вид

ИЛИ

где г - теплота конденсации смеси,

а коэффициент теплоотдачи в жидкой фазе ах рассчитывается по формуле:

где /4, Л», р - вязкость, теплопроводность, плотность жидкой фазы соответственно.

Расчеты, проведенные по уравнению (4.3), показывают удовлетворительное совпадение с экспериментом для бинарных и многокомпонентных органических смесей в условиях пленочной ректификации. По мнению Э. Рукенштейна, одна-

Малюсов В.А., Лотхов В.А. Тепло и массообмсн в процессе ректификации // Теор. оси. хим. тсхнол. - 1975. - Т.9, №1, с. 3... 10

ко, суммирование диффузионного и термического потоков при расчете потока компонента через границу фаз является некоторым упрощением, не учитывающим взаимодействия этих потоков, что действительно так, поскольку эта модель не имеет теоретического обоснования с точки зрения термодинамики.

К. Онд раздельно исследовал дуффузионную и термическую составляющие в опытах с уравновешенными независимыми потоками пара и жидкости. Им было установлено, что для расчета коэффициентов массоотдачи J3X и Д, можно использовать корреляции, полученные для физической абсорбции, тогда как в реальном процессе на Д и Д, сильное влияние оказывают процессы испарения и конденсации, искажая истинную картину ^процесса у границы раздела фаз.

И. Александров* выдвигает гипотезу о механизме массо- передачи, в соответствии с которой термические эффекты при ректификации не увеличивают общую эффективность массопередачи, а уменьшают ее, особенно в области низких и высоких концентраций. Предполагается пузырьковый механизм кипения жидкости. Пузырьки пара, образующиеся при кипении, имеют весьма малые размеры и период роста. Перемещаются они только к поверхности раздела фаз за счет разницы давлений внутри пузырька и в паре, тем самым блокируя поверхность раздела и затрудняя переход из одной фазы в другую.

При разрыве пузырьков турбулизуется слой жидкости на поверхности контакта фаз, и в этом слое выравнивается равновесная концентрация распределенного компонента из сконденсированного потока. Следовательно, у поверхности контакта фаз концентрация распределенного компонента в жидкости постоянна, а в паре - непрерывна и значительно изменяется в направлении диффузии. Таким образом, перенос диффузионных потоков через поверхность раздела фаз происходит только в результате элементарных актов конденсации и испарения жидкости при разрыве пузырьков.

Следовательно, пузырьковое кипение жидкости на границе раздела фаз создает дополнительное сопротивление мас- сопередаче в виде теплового пограничного слоя, определяе-

Александров И.А., Гройсман С.А. Тепло- и массообмен при ректификации в барботажном слое//Теор. оси. хим. технол. - 1975. - Т.9, №1, с. 11... 20

мого величиной kj. Тогда общий коэффициент массопереда- чи определяется в виде:

Проверка адекватности данной модели производилась путем сравнения экспериментальной и рассчитанной по модели зависимости локальной эффективности щ от состава для смесей пропан - н-бутан, толуол - ксилол, циклогексан - толуол, метанол - вода. Для расчета коэффициентов массоот- дачи Д, Д использовались уравнения для определения чисел единиц переноса в паровой Ny и жидкой Nx фазах:

а число единиц переноса, обусловленное теплопередачей между фазами, определялось по уравнению

Коэффициенты диффузии в паровой фазе Dy определяли по уравнению Джиллиланда, коэффициенты диффузии Dx в разбавленных растворах - по уравнению Уилке - Чанга, коэффициенты диффузии в бинарной смеси рассчитывали как аддитивную функцию состава смеси.

Коэффициент теплопередачи Ох определяли по аналогии с массо- и теплообменом:

где Ox - удельная поверхность контакта фаз, м23; dn - диаметр пузыря, м; Ях - теплота испарения, кДж/кмоль; h0y Н - высота слоя жидкости и слоя пены соответственно, м соу, со* - скорость газа и жидкости соответственно, м/с; Dxy Dy - коэффициенты диффузии в жидкой и паровой фазах соответственно, mvc; Мх - молекулярная масса; vx, vy - кинематическая вязкость по жидкости и пару (газу), м*/с; рху ру - плотность жидкости и пара, кг/м3.

Коэффициент массоотдачи в жидкой фазе рх определяли по уравнению

где (р - газосодержание барботажного слоя.

Локальную эффективность определяли из условия идеального вытеснения пара и полного перемешивания жидкости

1 1 Я 1

где-= — + — + — *

*0, N, V' "т

Данная модель хорошо описывает экстремальную зависимость локальной эффективности от состава ряда бинарных смесей для барботажных тарельчатых аппаратов.

Основная трудность, возникающая при установлении достоверности предложенных моделей и их использовании, связана с отсутствием экспериментальных значений коэффициента теплоотдачи в жидкой фазе при наличии испарения и конденсации в условиях нахождения фаз в состоянии насыщения, а также с отсутствием информации о параметрах вблизи границы раздела фаз.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >