научная статья по теме ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ Химическая технология. Химическая промышленность

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ»

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2013, том 47, № 6, с. 618-623

УДК 66.071.7:532.5.001.5

ВЛИЯНИЕ ТОЛЩИНЫ СЛОЯ ЖИДКОСТИ НА НЕУСТОЙЧИВОСТЬ ПРОЦЕССА АБСОРБЦИИ © 2013 г. Т. А. Поройко, Е. Ф. Скурыгин

Ярославский государственный технический университет skouryguine@rambler.ru Поступила в редакцию 06.09.2013 г.

Рассмотрена неустойчивость Марангони в нестационарном процессе абсорбции газа слоем жидкости конечной толщины. Исследована зависимость критического времени выхода процесса в неустойчивый конвективный режим от физических характеристик процесса и толщины слоя жидкости. Численно получена зависимость критического числа Марангони от числа Льюиса.

Б01: 10.7868/80040357113050114

ВВЕДЕНИЕ

Изменения температуры на свободной поверхности жидкости, неизбежно возникающие в процессах межфазного тепло- и массопереноса, порождают градиенты поверхностного натяжения, которые могут вызвать движение жидкости и привести к увеличению скорости межфазного тепло- и массообмена. Такое явление известно как термокапиллярная конвекция, или эффект Марангони [1—3]. Интерес к эффекту Марангони связан с практической важностью поиска механизмов интенсификации химических процессов [1—13]. В работах [3, 6, 7] изучалась диффузионно-конвективная неустойчивость процесса физической абсорбции газов неподвижным слоем жидкости, вызванная температурной зависимостью поверхностного натяжения. Работа [8] посвящена теоретическому анализу неустойчивости испарения бинарных смесей; эффект связан с зависимостью поверхностного натяжения от состава смеси. В [9] выполнен анализ конвективной неустойчивости слоя жидкости в условиях ее охлаждения, вызванного испарением; учитывались совместно конвекция Марангони и Рэлея. В [10] решалась задача неустойчивости Марангони в процессе абсорбции двуокиси углерода водным раствором моноэтаноламина, сопровождающейся объемной химической реакцией. В [11] исследовано влияние эффекта Марангони на кинетику растекания по поверхности воды органических жидкостей. В [12] выполнен численный анализ напряжений Марангони, вызванных загрязняющими веществами, абсорбирующимися на поверхности малых воздушных пузырьков, поднимающихся в воде; показано, что напряжения Марангони способны изменить характер течения всплывающих

пузырьков. Работа [13] посвящена анализу экспериментальных данных зависимости поверхностного натяжения от определяющих параметров в абсорберах тепловых насосов и холодильных машин.

В [3, 6, 7] экспериментально показано, что процесс абсорбции двуокиси углерода водой протекает в диффузионном режиме до некоторого критического времени, после чего сменяется более интенсивным конвективным режимом. Оценки [6, 7] показали, что причиной неустойчивости является температурная зависимость поверхностного натяжения. Для случая абсорбции газа неподвижным слоем жидкости бесконечной толщины вычислено критическое время перехода процесса в конвективный режим, а также приведено выражение для потока массы в закритической области. Не исследовано влияние толщины слоя жидкости на неустойчивость процесса абсорбции.

Цель настоящей работы — исследование зависимости критического времени от толщины слоя жидкости, вычисление минимальной толщины слоя жидкости, при которой возможна диффузионно-конвективная неустойчивость процесса.

ФОРМУЛИРОВКА ПРОБЛЕМЫ

Рассматривается нестационарный процесс абсорбции газа неподвижным слоем жидкости конечной толщины Н. Снизу жидкость ограничена твердой поверхностью, сверху жидкость взаимодействует с газовой фазой, в которой содержится компонент А. Компонент А абсорбируется жидкостью, в газовой фазе его концентрация поддерживается постоянной, в жидкой фазе его концентрация в начале процесса равна нулю.

Основное сопротивление тепло- и массопере-носу в процессе абсорбции сосредоточено в жидкости. В диффузионном режиме распределение концентрации компонента А и температуры описывается известными уравнениями [14]

дс(0) д2с(0)

дс ._ d ^^ = 0,

dt

дТ(0)

X-

dz

д 2т (0)

= 0,

(1)

(2)

дг " дг2

где с — концентрация компонента А в жидкости, Т — температура, Б и х — коэффициенты молекулярной диффузии и температуропроводности, I — время, верхний индекс (0) соответствует диффузионному режиму. Координата г направлена вглубь жидкости по нормали к свободной поверхности, значение г = 0 соответствует границе жидкость—газ.

На границе жидкость—газ выполняются следующие условия. Концентрация компонента А принимает значение с*, соответствующее его парциальному давлению в газовой фазе [15]

с = с* при г = 0, (3)

поток тепла равен количеству тепла, выделяющегося при растворении компонента А

дТ

дс

(0)

dz

= 0 при z = h,

(5)

для теплопроводной нижней границы — постоянство температуры

Т(0) = Т0 при z = h,

(6a)

для теплоизолированной нижней границы — отсутствие потока тепла

д Т

(0)

dz

= 0 при z = h.

(6б)

Начальные условия зададим в виде с(0) = 0, Т(0) = Т0 при t = 0.

(7)

Для малых изменений температуры поверхностное натяжение а можно аппроксимировать линейной функцией [16]

а-ао = -е(Г - Г0), (8)

где е — температурный коэффициент поверхностного натяжения, значение а0 соответствует температуре Т0.

Градиенты поверхностного натяжения вдоль свободной поверхности вызывают напряжения трения хар:

т _ _да т _ да

т хг - , т уг - ,

дх ду

что приводит в движение жидкость

дvх да __ _ _дvv да

(9)

pv

dz

да "" y —, pv—1

дх dz

ду

(10)

где V = (ух, у Vг) — вектор скорости жидкости, координаты х, у направлены параллельно свободной поверхности жидкости. Движение жидкости оказывает влияние на скорость массопереноса и в случае положительной обратной связи может привести к гидродинамической неустойчивости процесса. Критическое время перехода процесса абсорбции в конвективный режим определяется из условия нейтральности малых возмущений концентрации, температуры и скорости [6, 7]:

Дс® Jd -k2]с(1) = Ivz

Uz2 ) D z dz

(0)

ДТ(1) = 1 v дТ

(0)

(11)

(12)

рср1^ = АИВд- при г = 0, (4)

дг дг

где АН — удельная теплота растворения, р — плотность жидкости, ср — удельная теплоемкость жидкости при постоянном давлении.

На границе жидкость—твердое тело выполняется условие отсутствия потока для компонента А

X " дг

ААу г = 0, (13)

где верхний индекс (1) соответствует малому возмущению, Уг — амплитуда нормальной скорости, к — волновое число.

Системе уравнений (11)—(13) соответствуют следующие граничные условия. На свободной поверхности затухают возмущения концентрации и скорости, выполняется тепловой баланс

с(1) = 0, рсддГ— = АИБ^, уг = 0, г = 0. (14)

дг дг

Из уравнений (12), (13) можно получить следующее известное соотношение, связывающее температуру и скорость на свободной поверхности:

,(i)

pv-^-jvz = k2бТ(1), z = 0.

dz

(15)

На границе жидкость—твердое тело затухают возмущения скорости и потока массы

дс

(i)

dv.

= 0, vz = 0, —1 = 0 при z = h,

dz dz

(16)

для теплопроводной твердой поверхности

Г(1) = 0 при г = к, (17а)

для теплоизолированной поверхности

дГ(1)

dz

= 0 при z = h.

(17б)

В системе уравнений (11)—(13) с граничными условиями (14)—(17) неизвестными величинами

10 8

400

800

1200

1600 Le

dc

(0)

"* I -г" —= exp

dz JnDt l. 4Dt J'

dT(0)

T^ ( 2 * I —z = exp1

дг ТПХ ИХ^)

Поток J компонента А в жидкую фазу равен

I(0) = $(0); ](0) = е^,

где Б — площадь поверхности жидкость—газ, ] — плотность потока массы. Плотность потока тепла qравна

(18)

(19)

(20)

*(0) = T*.pcU

int

(21)

где T* — перепад температуры в пограничном слое жидкости:

AHc„.

T* =

Р С

* D

X

(22)

Уравнение (13) для нормальной скорости жидкости также имеет известное решение

v z = Bze

-kz

(23)

где В — произвольная константа.

Время нейтральных возмущений можно представить в безразмерных величинах

t — t+(к+, Ье)^,

(24)

где

Рис. 1. Зависимость безразмерного критического времени от числа Льюиса для слоя жидкости бесконечной толщины. Точки — численный расчет, линия 1 — ап-проксимационная формула (30), линия 2 — асимптотическая формула (28), пунктирная линия соответствует предельному значению критического времени при бесконечном числе Льюиса.

являются возмущения концентрации, скорости и температуры, а также время t, при котором существуют ненулевые решения для заданного волнового числа к. Критическим считается минимальное по волновым числам время нейтральных возмущений. Другими словами, время t = ^ определяется как минимальное время, при котором возмущения концентрации, температуры и скорости перестают затухать и начинают расти.

СЛОЙ ЖИДКОСТИ БЕСКОНЕЧНОЙ ТОЛЩИНЫ

Уравнения для невозмущенных значений концентрации и температуры в предельном случае слоя жидкости бесконечной толщины имеют известные решения [17]

k+ - kz*; z* = . ^ JX'

sAHc* V D

t* —

(

(25)

zAHc±

Le —

D

Функция t+(k+, Le+) удовлетворяет следующему уравнению [7]:

2k+t+

•N/LC

exp

exp (4k+t +) erfc (2к+л/Г+)

f 4k+t+ ^

v Le у

erfc 2k

(26)

= 1.

(27)

Критические время и волновое число равны k

kcr = , t cr = tcr+(Le)t*,

z*

t cr+(Le) = min t +(k+, Le) = t+(k„+, Le).

k+

На рис. 1 представлены результаты численного расчета безразмерного критического времени как функции числа Льюиса. В области больших значений Le зависимости критического времени и критического волнового числа описываются следующими асимптотическими формулами:

tcr+ = п(1 + 3n^3Le-^3) при Le ^ да, _ 0-1 -2/3T J6

(28)

kcr + = 2 п ' Le1

(29)

Для Ье > 50 численные зависимости с ошибкой не более 5% аппроксимируется следующими формулами:

tcr+ =п (1 + 3n1/3Le-1/3 + 12Le-2/3),

(30)

ксг+ = (2-1я-^3Ье^6 - 0.7Ье-^6 + 0.9Ье-1/2). (31)

При неограниченном росте числа Льюиса критическое время стремится к предельному значению

tCI ^ я^ при Ье ^ да, (32)

t

cr+

6

4

2

0

40

30

20

10

Масг 7

6

5

10

20

30 Ма

Рис. 2. Зависимость безразмерного критического времени от числа Марангони для системы углекислый газ—вода. Точки — численный расчет, линия — ап-проксимационная формула (35).

400

800

1200

1600 Ье

Рис. 3. Зависимость критического числа Марангони от числа Льюиса. Точки — численный расчет, линия — аппроксимационная формула (36).

что согласуется с результат

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком