Гидродинамика пузырьков

В мокрых пылеуловителях поверх­ность контакта между газом и жидкостью в виде пузырьков встре­чается главным образом в тарельчатых аппаратах.

Диаметр пузырька зависит от скорости газов и определяется критерием Re₀ (для отверстия в тарелке), который равен

где - скорость газов в свободном сечении аппарата, м/с; - эквивалентный диаметр отверстия, м; - свободное сечение тарелки, м²/м².

При Re₀≈200 диаметр пузырька (м) может быть рассчитан по формуле [2]

где - поверхностное натяжение, Н/м.

С ростом скорости газового потока размер образующихся пу­зырьков увеличивается. Подобная картина наблюдается при 200<< <2500. Дальнейшее увеличение скорости газов приводит уже к образованию большого числа маленьких пузырьков. При зна­чениях =2100-10000, наиболее характерных для практических условий, величина d_пможет быть определена из выражения

Скорость подъема пузырьков (м/с) зависит от критерия . Маленькие пузырьки диаметром менее 0,01 см ( <l) поднимаются, как твердые сферические частицы, подчиняясь закону Стокса. При >l начинаются отклоне­ния от закона Стокса. В области 1≤ ≤10000 закон сопротив­ления при подъеме пузырей имеет тот же вид, что и для твердых шариков при тех же величинах . Поскольку плотность и вяз­кость газов обычно малы по сравнению с плотностью и вязкостью жидкости, величину для случая <l можно определить из выражения

При движении газового потока через воду величина может быть рассчитана по формуле (4.4) при см.

Для средних по размеру пузырьков ( <0,l см) скорость их подъема рассчитывается по формуле

При значениях , близких к 700, и =0,2 - 0,3 см, пузырьки начинают деформироваться, приобретая форму сплющенного эллипсоида, короткая ось которого направлена в сторону движения пузырька. При этом меняется и характер их движения: прямоли­нейный подъем сменяется движением по спирали. Таким образом, сферическая форма пузырька сохраняется до значений <700 - 800. Скорость движения пузырьков диаметром 0,2 - 0,3 см (700<< <4500) почти не зависит от d_пи составляет 0,25 - 0,30 м/с. Она может быть рассчитана по формуле:

Несколько отличная формула для расчета подобных пузырь­ков предложена в работе [4]:

Пузырьки большего диаметра поднимаются несколько быстрее (35 - 40 см/с), однако они мало устойчивы и дробятся на более мелкие.

Большое значение для инженерных расчетов имеет величина поверхности фазового контакта, образующаяся в газожидкостном слое (пене) на тарелке. Величина поверхности фа­зового контакта, приходящаяся на единицу объема пены (в м²/м³), возрастает с увеличением скорости газового потока, по­ка не достигнет значения 8 см²/см³, после чего становится постоян­ной величиной. Более низкие значения величины рассчитывают­ся по формуле

где - число отверстий, приходящихся на единицу площади тарелки, 1/м².

С учетом изложенного выше, независимо от физических пара­метров газ-жидкость, размер пузырька для развитой турбу­лентной пены (при а = 8 см²/см³) может быть принят постоянным и равным 4,5 мм. Этот средний размер пузырька практически не зависит от дальнейшего увеличения скорости газов; скорость пу­зырька в этом случае составляет ≈0,28 м/с.

Приведенные выше формулы характеризуют в лучшем случае средний диаметр пузырька. В действительности, в слое пены пу­зырьки имеют самый различный размер, причем они непрерывно лопаются, меняют форму; происходит разрушение крупных пу­зырьков и слияние мелких и т. п.