6.7. Барботажные аппараты

(М.А.Яблокова)

Основные обозначения

Критерии подобия и безразмерные числа

Подстрочные индексы

Барботажные аппараты предназначены для осуществления химических реакций и межфазных взаимодействий в системах газ—жидкость, газ—жидкость—твердое, газ—несмешивающиеся жидкости. Они широко применяются как газо-жидкостные химические реакторы и ферментаторы, флотаторы, а также в процессах физической абсорбции, жидкостной экстракции, смешения жидкостей, аэрации и озонирования воды.

Основным параметром, характеризующим эффективность газо-жидкостных процессов, является площадь поверхности контакта газа с жидкостью, поэтому в основу классификации существующих аппаратов может быть положен способ ее формирования. В зависимости от способа образования этой поверхности газо-жидкостные аппараты можно подразделить на следующие основные группы:

В барботажных и газлифтных аппаратах поверхность контакта фаз образуется при введении газа через распределительные устройства в слой соответственно неподвижной или циркулирующей жидкости. В системах с механическим диспергированием газовой фазы вовлекаемый или нагнетаемый в аппарат газ перемешивается с жидкостью специальными устройствами. В струйных аппаратах инжектируемый или принудительно подаваемый газ диспергируется струями жидкости, создаваемыми выносным циркуляционным насосом.

Аппараты с образованием межфазной поверхности за счет энергии компримированного газа целесообразно применять в тех случаях, когда требуется большой рабочий объем жидкости, а в качестве газовой фазы используется воздух, содержащий около 80 % инертного азота, кинетической энергии которого достаточно для обеспечения необходимых условий пневмоперемешивания и массообмена. В таких аппаратах газовые пузыри обычно имеют достаточно крупные размеры (от 3 до 20 мм), практически не зависящие от конструкции газораспределительных устройств, а определяемые только условиями устойчивости пузырей в турбулентном газо-жидкостном потоке [1, 2]. Поверхность контакта фаз невелика и, как правило, не превышает 200–250 м23. Объемный коэффициент массопереноса обычно находится в пределах от 0,01 до 0,05 с–1.

В сооружениях очистки сточных вод с барботажной системой аэрации в качестве газораспределителей используют пористые фильтросные элементы и перфорированные трубы. При этом во многих литературных источниках [3–5] первые называют «мелкопузырчатыми», а вторые — «среднепузырчатыми» аэраторами. Однако в действительности разница в размерах пузырей проявляется лишь на очень небольшом расстоянии от барботеров, поскольку мелкие пузырьки быстро коалесцируют, образуя пузыри размером не менее 5–7 мм. Исследования [6] показывают, что уменьшение диаметра отверстий газораспределителя в десять раз практически не сказывается на величине поверхности контакта фаз и скорости массопереноса.

Достоинствами барботажных и газлифтных аппаратов являются простота конструкции и малый удельный расход энергии на растворение газа в жидкости. К их недостаткам следует отнести сравнительно низкую интенсивность массопереноса и постепенное возрастание аэродинамического сопротивления барботеров в результате засорения и зарастания мелких отверстий. Регенерация пористых фильтросных элементов сложна и трудоемка, их замена требует полной остановки и опорожнения рабочих емкостей. Кроме того, для барботажных систем необходимы дорогие и достаточно сложные в обслуживании газодувные или компрессорные машины.

6.7.1. Барботажные колонны

Барботажные колонные аппараты (рис. 6.7.1.1) обычно выполняются в виде вертикальных цилиндрических емкостей 1, в придонной части которых размещены газораспределители — барботеры 2. Колонны могут быть пустотелыми или секционированными горизонтальными перегородками 3, которые служат промежуточными газораспределителями и уменьшают продольную циркуляцию жидкости. Теплообменными устройствами служат размещенные внутри змеевики или стенки аппарата, заключенные в рубашку.

Рис. 6.7.1.1. Барботажный колонный аппарат:
1 — емкость; 2 — барботер; 3 — перегородка

Простота конструкции барботажных колонн позволяет проектировать их на большие объемы, допускает установку антикоррозионной футеровки, обеспечивает высокую надежность в эксплуатации.

Характерным признаком работы барботажных колонн является неорганизованная и слабая циркуляция жидкости, поэтому при анализе гидродинамики таких аппаратов обычно считают, что газ барботирует через жидкость, не имеющую направленного движения. Слабая циркуляция не позволяет обрабатывать в барботажной колонне неоднородные жидкие системы (суспензии, эмульсии) с большой разностью плотностей фаз.

Пропускная способность барботажных колонн по газу лимитируется его приведенной (отнесенной к площади свободного сечения аппарата) скоростью около 0,1 м/с. При более высоких скоростях газа образуются слишком крупные пузыри, возникают крупномасштабные пульсации, влекущие за собой значительные колебания давления и вибрацию аппаратов. Пропускная способность по жидкости (при непрерывном процессе) определяется необходимым временем пребывания ее в колонне.

С точки зрения математического моделирования, при упрощенном подходе барботажные колонны, не секционированные горизонтальными перегородками, обычно относят к аппаратам идеального смешения по жидкой фазе и вытеснительного типа по газовой. При секционировании каждая секция рассматривается как аппарат идеального смешения.

Пустотелые колонны наиболее целесообразно использовать для реакций, продолжительных по времени, т. е. протекающих в кинетической области, и сопровождаемых малым тепловым эффектом. Если роль теплообменной поверхности выполняют стенки колонны, заключенные в рубашку, то площадь этой поверхности растет пропорционально диаметру колонны D, а количество выделяющейся реакционной теплоты — пропорционально D2. При увеличении объема аппарата или его диаметра может возникнуть ситуация, когда площадь поверхности боковых стенок не обеспечит отвод теплоты реакции. В этом случае внутри колонны устанавливают змеевики или трубчатые вертикальные теплообменные элементы (рис. 6.7.1.2).

Рис. 6.7.1.2. Барботажная колонна с вертикальными теплообменными элементами

Помимо полых барботажных колонн в химической промышленности используются в качестве газо-жидкостных реакторов и колонны, заполненные твердыми телами. В одном случае они являются насадкой, необходимой для увеличения поверхности контакта фаз в системе газ—жидкость, а в другом — катализатором.

Насадочные реакторы-колонны, работающие в режиме противотока фаз, обычно применяют для реакций, протекающих в диффузионной области. По конструкции они практически не отличаются от абсорбционных и ректификационных насадочных колонн.

Барботажные колонны с затопленной насадкой применяют для осуществления химических превращений, как в диффузионном, так и в кинетическом режиме. Насадка может быть неподвижной, выполненной из керамических колец, или подвижной, представляющей собой полые шары со средней плотностью, почти не отличающейся от плотности жидкости. В колоннах с неподвижной насадкой трудно осуществлять равномерный отвод реакционной теплоты из всего объема аппарата, так как перенос жидкости в радиальном направлении затруднен насадочными телами. В этом отношении более совершенны колонны с подвижной насадкой, которые, к тому же, обеспечивают и более высокую эффективность массопереноса реагирующего компонента из газа в жидкость [1, 7]. Общим недостатком колонн с насадкой является то, что значительная часть реакционного объема занята инертными телами, что снижает среднее время пребывания жидкости в аппарате.

Реакторы с насадкой в виде гранулированного катализатора нашли применение в ряде каталитических газо-жидкостных процессов. Такие аппараты выполняют в виде барботажных колонн 1 (рис. 6.7.1.3), весь объем катализатора в которых разделен на слои. Каждый слой 2 уложен на газораспределительную решетку с сеткой и сверху пружинами поджат другой сеткой. Пространства 3 между слоями служат для перераспределения газовой фазы и дополнительного ввода газа или сырья (если это необходимо). Отвод теплоты реакции в таких аппаратах может осуществляться тремя способами: хладагентом, подаваемым в змеевики (рис. 6.7.1.3, а), предварительно охлажденными газом (рис. 6.7.1.3, б) или жидкостью (рис. 6.7.1.3. в), вводимыми в пространства между слоями катализатора. Реакторы со стационарным слоем катализатора работают обычно при восходящем потоке газо-жидкостной смеси, но поскольку скорость жидкости очень мала, по гидродинамическим условиям их можно отнести к барботажным колоннам.

Рис. 6.7.1.3. Барботажные колонные реакторы с зернистым катализатором

Основные неудобства эксплуатации таких реакторов связаны со сроком службы катализатора. Если время его эффективной работы невелико, то реактор становится аппаратом периодического действия. Существенным недостатком является также большое сопротивление аппарата, достигающее 2,5×105 Па на метр высоты слоя. Это сопротивление может сильно возрастать за счет осмоления катализатора и закупорки межзерновых каналов.

В более благоприятных условиях с этой точки зрения работают аппараты с суспендированным катализатором, который можно к тому же регенерировать, не прекращая ведения процесса. Однако для выделения катализатора требуются надежные сепарирующие
устройства, усложняющие конструкцию реакторного узла и его эксплуатацию.

Газосодержание. Одной из основных характеристик газо-жидкостной смеси в любом барботажном аппарате является ее объемное газосодержание

, (6.7.1.1)

где Vгж — объем газо-жидкостной смеси, заполняющей аппарат; Vг — объем газа, заключенного в объеме Vгж.

При постоянстве объемного расхода барботирующего газа усредненное по времени и по объему слоя истинное газосодержание составляет

, (6.7.1.2)

где Sгж — площадь свободного сечения аппарата, занятая газо-жидкостной смесью; Sг — площадь сечения аппарата, занятая газом; vг — приведенная скорость газа (расход газа, отнесенный к площади свободного сечения аппарата); uг — истинная скорость газа в аппарате.

Усредненная величина e г определяет объем жидкости в газо-жидкостной смеси

; (6.7.1.3)

высоту слоя газо-жидкостной смеси в аппарате (при высоте исходного слоя жидкости Hж)

; (6.7.1.4)

плотность газо-жидкостной смеси

r гж = r ж(1 – e г) + r гe г, (6.7.1.5)

где rж и rг — плотности жидкости и газа.

При барботаже газа через жидкость образуется поверхность контакта фаз с площадью F. Анализируя эффективность работы барботажных аппаратов, обычно пользуются понятием удельной площади межфазной поверхности . Если условно принять, что газо-жидкостная смесь содержит однородные пузыри шарообразной формы со средним диаметром dп, то

. (6.7.1.6)

Полидисперсность газовых пузырей может быть учтена введением в уравнение (6.7.1.6) дополнительного множителя, однако в реальных условиях его значение близко к единице [1].

Удельная площадь межфазной поверхности полидисперсной системы газовых пузырей определяется свойствами жидкости и газа, их скоростями и практически не зависит от вида газораспределителя. Влияние конструкции барботера на газосодержание и на удельную площадь поверхности контакта фаз проявляется только при малых высотах барботажного слоя, например на ситчатых тарелках массообменных аппаратов, где высота расширяющейся струи газа соизмерима с общей высотой газо-жидкостного слоя.

Влияние свойств газа и жидкости на величину SV при массовом барботаже является очень сложным. При приблизительно одинаковых вязкости, поверхностном натяжении и плотности жидкостей величина SV для растворов электролитов оказывается значительно выше, чем для недиссоциированных жидкостей. Различие значений SV наблюдается и для разных растворов электролитов при постоянстве указанных физических свойств жидкостей.

Наиболее существенное влияние на величину SV оказывает присутствие в жидкости поверхностно-активных веществ (ПАВ). Небольшие и часто практически нефиксируемые добавки ПАВ могут в значительной степени изменять структуру газо-жидкостной системы, приводить к образованию устойчивых пен с повышенным газосодержанием.

Из-за высокой сложности учета физико-химических свойств жидкостей в реальных технологических процессах до сих пор не установлено надежных рекомендаций, пригодных для расчета удельной площади поверхности контакта фаз газ—жидкость в промышленных барботажных аппаратах.

В газо-жидкостных системах, образованных чистыми жидкостями, т. е. не содержащих ПАВ, различают три режима барботажа — пузырьковый, динамической ячеистой пены и динамической неячеистой пены.

При пузырьковом режиме в жидкости всплывают отдельные небольшие пузыри, диаметр которых dп определяется диаметром dо отверстий барботера, свойствами жидкости и не зависит от давления при изменении его до 106 Па. Режим наблюдается только в том случае, когда скорость газа в отверстиях барботера vо не превышает скорости всплывания газовых пузырей (vо £  vп). Для одиночных газовых пузырей с диаметрами менее 1 мм скорость всплывания можно оценить по формуле (3.2.6.7). Для пузырей более крупных размеров скорость всплывания представляет собой практически постоянную величину, которую можно рассчитать по уравнению (3.2.6.13). Размер пузырей, отрывающихся от отверстий диаметром dо = 1ч5 мм, при пузырьковом режиме барботажа можно оценить [1] по формуле

(6.7.1.7)

Более точные соотношения см. в 8.1.1.

Режим динамической ячеистой пены наступает, когда скорость газа в отверстиях газораспределителя превышает скорость свободного всплытия пузыря (vо > vп). Для системы вода—воздух при массовом барботаже скорость vп = 0,25¸ 0,26 м/с (см. рис. 3.2.6.2). В отверстиях барботеров промышленных аппаратов скорость газа обычно существенно превышает эту величину и может достигать 10–15 м/с. При этом газ вырывается из отверстия в виде расширяющейся струи, распадающейся на пузыри различных размеров на некотором расстоянии от барботера. Образующаяся газо-жидкостная смесь имеет ячеистую структуру, и высота ее слоя возрастает с увеличением расхода газа. Верхняя граница существования режима динамической ячеистой пены определяется [2] условием

(6.7.1.8)

где Кб критерий режима барботажа.

Режим динамической неячеистой пены наступает при Кб > 18. При этом образуется подвижная газо-жидкостная смесь, состоящая из разноразмерных газовых пузырей неопределенной формы, несущих в себе капли жидкости. Если барботажная колонна имеет небольшой диаметр (труба), то газ поднимается вверх в виде удлиненных крупных пузырей (снарядов), разделенных прослойками жидкости с мелкими пузырями. В этом случае говорят о снарядном, или пробковом, режиме барботажа.

Промышленные барботажные колонны обычно работают в режиме динамической ячеистой пены. Средний размер dп образующихся при этом газовых пузырей может быть рассчитан [31] по формуле

(6.7.1.9)

где E — скорость диссипации энергии в единице объема жидкости, заполняющей газо-жидкостный аппарат, Вт/м3; для барботажных колонн [1, 2]

E = vгr жg. (6.7.1.10)

Три гидродинамических режима различают также и в барботажных аппаратах с неподвижным зернистым слоем насадки или катализатора [1, 2]. Пузырьковый режим, соответствующий малым расходам газа, характеризуется движением отдельных изолированных друг от друга пузырьков газа в межзерновых каналах, заполненных сплошной жидкой фазой. При увеличении расхода газа возникает пульсационный режим, подобный вышеописанному снарядному режиму для аппаратов с полыми трубами. Дальнейшее увеличение скорости газа приводит к струйному режиму, при котором газ проходит в виде сплошной фазы по каналам с наименьшей плотностью упаковки зернистого материала. При этом наблюдается срыв капель и брызг жидкости с поверхности твердых частиц. Области существования различных режимов показаны на диаграмме, приведенной на рис. 6.7.1.4. Верхняя граница существования пузырькового режима определяется в основном скоростью газового потока и соответствует значению vг = 0,12¸0,16 м/с. Возрастание скорости газа выше указанного значения вызывает переход, в зависимости от скорости жидкости, либо к пульсационному, либо к струйному режиму. Последний режим почти не используется в промышленных аппаратах с зернистым слоем, поскольку условия их работы в этом режиме далеки от оптимальных. Большинство промышленных колонн с неподвижными слоями насадки или катализатора работают в пузырьковом режиме барботажа.

Рис. 6.7.1.4. Области существования различных режимов восходящего течения газо-жидкостной
смеси в неподвижном зернистом слое:
1 — пузырьковый режим;
2 — пульсационный режим; 3 — струйный режим

Газосодержание барботажного слоя в пустотелых колоннах изменяется как по высоте аппарата, так и по его сечению. При больших высотах исходного слоя величина eг резко возрастает на расстоянии 100–150 мм от газораспределителя, затем остается практически неизменной по всей высоте газо-жидкостного слоя и только в верхней его части вновь увеличивается [1]. В промышленных барботажных колоннах высота газо-жидкостного слоя достаточно велика, что позволяет пренебречь влиянием концевых эффектов и принимать среднее газосодержание по всей высоте аппарата постоянным. Такое допущение правомочно [1] при условии где Hж — высота исходного слоя жидкости.

В пустотелых барботажных колоннах среднее газосодержание слоя достаточно большой высоты, образованного из маловязкой жидкости, можно рассчитать по формуле (3.4.3.11), полученной [8] в результате обобщения опытных данных многих исследователей. Для вязких жидкостей в уравнение (3.4.3.11) рекомендуется [1] вводить дополнительный сомножитель (3.4.3.12).

В барботажных колоннах с восходящим течением газо-жидкостной смеси через слой неподвижной насадки газосодержание не зависит от формы и размеров насадочных тел, от скорости жидкости в пределах от 0 до 0,007 м/с и от диаметра аппарата. При вязкости жидкости nж = 0,001¸0,025 Па ×с газосодержание в насадочных колоннах может быть рассчитано [1] по уравнению

 (6.7.1.11)

где dэ — эквивалентный диаметр насадочного тела.

Гидравлическое сопротивление пустотелой барботажной колонны в рабочих условиях можно выразить соотношением:

, (6.7.1.12)

где Dpгр — потери давления в отверстиях газораспределителя; Dpсл — статическое давление слоя газо-жидкостной смеси c высотой H; zо — коэффициент сопротивления односторонне затопленного отверстия, для определения которого можно пользоваться данными рис. 6.7.1.5 [1].

Рис. 6.7.1.5. Коэффициент сопротивления отверстий
при истечении газа в жидкость при следующих значениях коэффициента поверхностного натяжения жидкости (в Н/м):
1 — 0,02; 2 — 0,03; 3 — 0,04; 4 — 0,05; 5 — 0,06;
6 — 0,07; 7 — 0,08

Гидравлическое сопротивление барботажной колонны с неподвижным слоем мелкозернистой насадки при восходящем потоке газо-жидкостной смеси с достаточной для инженерных расчетов точностью можно рассчитать по уравнению

. (6.7.1.13)

Здесь Sнд — удельная площадь поверхности насадки (отношение поверхности насадки к объему слоя); eт — объемная доля твердого в слое; Reж — критерий Рейнольдса по жидкости

, (6.7.1.14)

где — эквивалентный диаметр межзерновых каналов (см. также уравнение (3.1.4.2)).

Входящий в уравнение (6.7.1.13) коэффициент трения жидкости о зернистый слой следует рассчитывать по формуле Розе [1]

(6.7.1.15)

Уравнение (6.7.1.13) проверено экспериментально [15] при vг = 0,05¸ 0,8 м/с; vж = 0,0036¸ 0,025 м/с; mж = 0,001¸ 0,035 Па ×с. Отклонения опытных значений Dp от расчетных составляют в среднем 20 %. Однако в области малых приведенных скоростей жидкости (vж < 0,01 м/с) зависимость (6.7.1.13) дает существенно завышенные результаты. В этом случае сопротивление неподвижного зернистого слоя при восходящем потоке газо-жидкостной смеси можно оценить [2] как сумму гидростатического давления барботажного слоя и потерь давления на трение в межзерновых каналах:

, (6.7.1.16)

где — истинная скорость жидкости в межзерновых каналах.

При расчете lтр по формуле (6.7.1.15) следует пользоваться значением критерия

. (6.7.1.17)

Продольное перемешивание. Вследствие неравномерности распределения газосодержания по сечению барботажной колонны, в ней возникает циркуляция жидкости с восходящим потоком, как правило, в центральной части и с нисходящим — около стенок. Условное распределение скоростей жидкости по радиусу аппарата показано на рис. 6.7.1.6, из которого видно, что на некотором расстоянии r0 от оси колонны существует граница раздела восходящего и нисходящего потоков. Для промышленных барботажных колонн может быть принято среднее значение r0 = 0,55R.

По оценочным данным [1], максимальная скорость восходящего потока жидкости в центре колонны , а нисходящего потока вблизи стенок .

Рис. 6.7.1.6. Профиль скоростей циркуляции жидкости в барботажной колонне

Скорость циркуляции жидкости как одна из гидродинамических характеристик барботажного слоя пока еще практически не используется при расчетах пустотелых колонн. Но очевидно, что через нее можно выразить интенсивность перемешивания неоднородных жидких систем, теплоотдачу к теплообменным элементам, размещенным в колонне, изменение движущей силы процессов массообмена.

С точки зрения продольного перемешивания жидкости пустотелые барботажные колонны (учитывая высокие скорости циркуляции) можно рассматривать как аппараты идеального смешения. Интенсивность продольного перемешивания зависит от отношения высоты колонны H к ее диаметру D. Согласно рекомендациям, приведенным в [1], коэффициент Dпр продольного перемешивания жидкости в пустотелых барботажных колоннах можно рассчитать по следующим формулам.

При < 6,5

(6.7.1.18)

при > 6,5

(6.7.1.19)

В этих уравнениях — критерий Фруда; B = 10 и n = 0,45 при vг < 0,027 м/с; B = 2,7 и n = 0,3 при vг ³  0,027 м/с.

Зависимости для расчета коэффициента продольного перемешивания в барботажных колоннах с затопленной насадкой предложены в [9].

При vг < 0,05 м/с

; (6.7.1.20)

при 0,05 < vг < 0,15 м/с

(6.7.1.21)

где vг.кр — критическая приведенная скорость газа, при которой коэффициент турбулентной диффузии максимален (vг.кр = 0,05 м/с).

Определение скоростей циркуляционных течений, как и дисперсии времени пребывания жидкой и газовой фаз, может быть осуществлено на основе численных экспериментов в координатах Эйлера — Лагранжа (см. 3.3.6).

Теплообмен в барботажных колоннах. Для определения требуемой площади поверхности теплообменных элементов необходимо уметь рассчитывать коэффициенты теплоотдачи к ним от газо-жидкостной смеси. На основании анализа многочисленных исследований теплообмена между твердой стенкой и омывающей ее газо-жидкостной смесью, не имеющей направленного движения, авторами [1] сделан вывод, что коэффициент теплоотдачи не зависит от свойств газа, от давления в аппарате (до 2 МПа), от поверхностного натяжения на границе газ—жидкость, от конструкции газораспределителя (если высота расположения теплообменного элемента над барботером превышает высоту факела газа, выходящего из отверстия), от места расположения теплообменного элемента в пучке горизонтальных труб. Слабо выражена также зависимость коэффициента теплоотдачи от диаметра трубы, омываемой газо-жидкостной смесью. Существенное влияние на коэффициент теплоотдачи a оказывают приведенная скорость барботирующего газа vг и свойства жидкости (вязкость, теплопроводность). Изменение направления теплового потока на величине коэффициента теплоотдачи не отражается.

Термическое сопротивление лимитируется теплопереносом в пристенном слое жидкости. Для расчета коэффициента теплоотдачи можно воспользоваться полученным в [1] на основе полуэмпирической теории турбулентного переноса уравнением (4.2.3.6), где динамическая скорость

Это же уравнение для барботажных колонн можно записать и в виде

(6.7.1.22)

где Nu — критерий Нуссельта (; lст — масштаб толщины пристенного слоя, равный ; Kб — критерий режима барботажа (см. уравнение (6.7.1.8)).

Значение в уравнениях (4.2.3.6) и (6.7.1.22) легко определить по рис. 4.2.3.1. Однако для определения безразмерного расстояния от стенки в широком диапазоне газосодержаний целесообразнее использовать уравнение

. (6.7.1.23)

Анализ [10] многочисленных данных показал, что для барботажных колонн можно принять c = 2,2.

Величина yт в уравнении (6.7.1.23) представляет собой расстояние от стенки, на котором температура жидкости претерпевает основное изменение. Авторы [1] рекомендуют принимать: yт = 0,5d — для одиночной трубы, размещенной в барботажном слое; yт = 0,5(s – d) — для змеевика или пучка труб с наружным диаметром d и шагом размещения s; ym = 0,1D — для колонны диаметром D, имеющей теплообменную рубашку на корпусе.

Для ориентировочных расчетов коэффициента теплоотдачи в барботажных слоях, образованных жидкостью с небольшой вязкостью (до 0,1 Па ×  с), со средним газосодержанием eг £  0,3 уравнение (6.7.1.22) может быть аппроксимировано более простыми зависимостями (4.2.2.5), которые могут быть переписаны в виде

Nu = 0,146Kб1/4Pr1/3 при Kб £ 18; (6.7.1.24)

Nu = 0,3Pr1/3 при Kб > 18. (6.7.1.25)

Уравнения (6.7.1.24) и (6.7.1.25) удовлетворяют точности инженерных расчетов. Они проверены экспериментально [1] в диапазоне значений vг = 0,01¸2,5 м/с и Pr = 2¸300 при теплоотдаче к змеевикам и одиночным трубам с наружными диаметрами d = 8¸38 мм. Широкий диапазон проверенных скоростей газа позволяет использовать уравнения (6.7.1.24) и (6.7.1.25) для расчета коэффициента теплоотдачи не только в пустотелых барботажных, но и в тарельчатых колоннах в случае размещения змеевиков для охлаждения жидкости на тарелках.

Методика теплового расчета барботажных колонн с неподвижными слоями насадки или зернистого катализатора подробно изложена в [2, 11, 12].

Массообмен в барботажных колоннах. Многочисленные экспериментальные данные по массопереносу из газа в жидкость в пустотелых барботажных колоннах были обобщены в [13] эмпирическим критериальным уравнением

 (6.7.1.26)

где bVобъемный коэффициент массопереноса из газа в жидкость (отнесен к объему жидкости в аппарате), с–1; bV = bSV; l — капиллярная постоянная; Dж — коэффициент молекулярной диффузии газа в жидкости.

В [16] на основе полуэмпирической теории турбулентного переноса вещества получена зависимость, показывающая связь поверхностного коэффициента массопереноса из газа в жидкость со скоростью диссипации энергии E в жидкости (см. уравнение (6.7.1.10)), заполняющей газо-жидкостной аппарат:

. (6.7.1.27)

В отличие от пустотелых колонн в барботажных аппаратах с насадкой массоперенос в жидкой фазе протекает по иным закономерностям. Процессы массообмена в колоннах с крупной насадкой, работающих в режиме противотока, обстоятельно описаны в литературе [16, 17]. Для расчета объемного коэффициента массопереноса из газа в жидкость в колоннах с мелкозернистой насадкой, работающих при восходящем движении газо-жидкостной смеси, в области пузырького режима барботажа (при vг £  0,14 м/с) можно использовать [1, 2] зависимость:

(6.7.1.28)

где ; ; .

В области пульсационного режима движения газа, отвечающей условиям vг = 0,14¸ 0,4 м/с,

(6.7.1.29)

где .

В струйном режиме [1, 2]

(6.7.1.30)

Механизм массопереноса к неподвижным частицам, омываемым потоком жидкости, дополнительно турбулизованной барботирующим газом, до сих пор полностью не раскрыт. Можно предположить, что он связан как со скоростью сплошного потока жидкости, так и с пульсациями, проникающими в пристенный слой от деформирующихся газовых пузырьков. Причем закономерности массопереноса из турбулентного ядра межзернового канала и из узких прослоек жидкости между частицами вблизи точек их соприкосновения будут различными. В таких сложных случаях для трехфазной системы обычно принимают

b жт = bж + bжг, (6.7.1.31)

где bж — коэффициент массопереноса в гомогенном потоке жидкости; bжг — коэффициент массопереноса в условиях непроточной жидкости, турбулизованной газом.

Данные [14] показывают, что в пределах 2 < Reж <150 коэффициент массопереноса bж может быть рассчитан по уравнению

(6.7.1.32)

Связь составляющей коэффициента массопереноса bжг с гидродинамическими параметрами процесса барботажа можно установить [14], опираясь на полуэмпирическую теорию турбулентного переноса вещества:

(6.7.1.33)

где для случая барботажа газа через зернистый слой с непроточной жидкостью динамическая скорость

. (6.7.1.34)