Однофазное пленочное течение

Течение пленки жидкости в пленочных аппаратах происходит в условиях воздействия на пленку газового потока. При небольших скоростях газа это воздействие незначительно, и течение пленки можно рассматривать как однофазное [7]. Исследования показали, что наблюдаются три основных режима течения пленки:

- ламинарное течение пленки с гладкой поверхностью раздела фаз (рисунок 6.9, а);

- ламинарное течение пленки с волнистой поверхностью раздела фаз (рисунок 6.9, б);

- турбулентное течение пленки

Переход к волновому режиму обусловлен действующими на свободную поверхность пленки (т.е. на границе раздела фаз) силами поверхностного натяжения. При воздействии сил поверхностного натяжения волновое течение при определенных расходах жидкости более устойчиво, чем ламинарное с гладкой поверхностью раздела фаз. При малых расходах жидкости, наоборот, более устойчивым является течение с гладкой поверхностью, а возникающие при наличии возмущений волны быстро затухают. Опытами установлено, что уже при добавке к жидкости небольших количеств поверхностно-активных веществ течение с гладкой поверхностью сохраняется даже при значительных зачениях Re_ж.

а б

а – распределение скоростей при ламинарном течении;

б – волновое течение

Рисунок 6.9 - Схема пленочного течения по вертикальной поверхности

6.3.2Пленочное течение в двухфазном потоке

При однофазном пленочном течении касательное напряжение в пленке достигает максимума у стенки и уменьшается до нуля на свободной поверхности. При двухфазном потоке воздействие газа на течение пленки проявляется в том, что у свободной поверхности, где скорости жидкости и газа одинаковы, в обеих фазах возникают касательные напряжения, равные по величине, но противоположные по знаку. Касательное напряжение в газовой фазе направлено в сторону, противоположную движению газа.

При движении снизу вверх (противоток) газ тормозит стекание пленки. Это приводит к увеличению толщины пленки и уменьшению средней скорости ее течения, причем гидравлическое сопротивление аппарата возрастает. Если скорость газа составляет 5…10 м/с, наступает так называемое захлебывание, сопровождаемое накоплением жидкости в аппарате и резким ростом гидравлического сопротивления. В случае дальнейшего повышения скорости газа жидкость движется уже снизу вверх (восходящий прямоток); при этом гидравлическое сопротивление сначала падает до некоторого минимальною значения, а затем снова возрастает. Если скорость газа выше 15…40 м/с жидкость отрывается от поверхности пленки и уносится с газом в виде брызг.

При движении сверху вниз (нисходящий прямоток) газ увлекает пленку жидкости, что увеличивает ее среднюю скорость и уменьшает толщину пленки. При одинаковых скоростях газа гидравлическое сопротивление ниже, чем в случае движения газа снизу вверх. Устойчивый нисходящий прямоток может существовать, если скорости газа не превышают 15…30 м/с; при более высоких скоростях происходит брызгоунос.

Распределение скоростей в газовом и жидкостном потоках для описанных режимов течения пленки показано на рисунке 6.10.

Гидравлическое сопротивление в трубках с орошаемыми стенками и в аппаратах с листовой насадкой при двухфазном потоке выше, чем при однофазном движении газа (при одинаковых расходах газа), что объясняется:

- уменьшением сечения для прохода газа (поскольку часть сечения занята текущей жидкостью);

- увеличением относительной скорости газа, определяющей величину гидравлического сопротивления, по сравнению с его абсолютной скоростью (при противотоке);

- передачей от газа к жидкости некоторой части энергии, которая расходуется на преодоление силы тяжести (при движении газа вверх) или на ускорение течения жидкости (при движении газа вниз);

- потерей энергии, обусловленной движением волн.

а б в

а – противоток; б – нисходящий прямоток; в – восходящий прямоток

Рие. 6.10 - Распределение скоростей при пленочном течении в двухфазном потоке

При скоростях газа 2…10 м/c сопротивление в случае нисходящего прямотока в 10…20 раз ниже, чем в случае противотока. В области скоростей выше 10 м/c различие в сопротивлении между нисходящим и восходящим прямотоком не столь велико и сглаживается по мере увеличения скорости газа.

В пленочных аппаратах с противоточным движением фаз при некоторой скорости газа наступает захлебывание. Начало захлебывания (подвисание) характеризуется резким возрастанием сопротивления, а также количества находящейся в аппарате жидкости. При небольшом увеличении скорости газа аппарат начинает заполняться жидкостью, через которую барботирует газ; при дальнейшем повышении скорости происходит выброс жидкости вместе с газом через верхнюю часть аппарата или (при подаче жидкости снизу) переход к восходящему прямотоку.