Instabilitati interfaciale la interfata gaz - lichid

Instabilitati interfaciale la interfata gaz - lichid

Numeroase sisteme gaz - lichid prezinta fenomenul de turbulenta interfaciala (Sawistowski, 1981). Fortele asociate cu gradientii de tensiune interfaciala pot genera curgeri interfaciale convective. Aceste fenomene de curgere contribuie la reinnoirea suprafetei fiind posibile cresteri abrupte ale vitezei transferului de masa. De aceea, turbulenta interfaciala in sistemele gaz - lichid poate intensifica fenomenul de absorbtie (Kulov, 1992). In aceste conditii, intensificarea transferului de masa si eventual de caldura se face pe seama energiei interne a sistemului si nu este necesar consumul de energie din exterior pentru reducerea rezistentelor de transfer de masa sau termic.

Explicatia fizica a aparitiei instabilitatii interfetei este aparitia unor forte de suprafata, datorita gradientilor de tensiune interfaciala, care la randul lor depind de valoarea locala a concentratiei la suprafata a proprietatii transferate (fie ca este vorba de substanta sau de caldura). Aceste forte de suprafata sunt in principal responsabile pentru stabilirea unui echilibru dinamic intre fenomenul de transfer si procesele hidrodinamice. Conditiile de producere a instabilitatilor interfaciale sunt determinate de natura fizica a fortei motoare a procesului de transfer (Kaminsky si colab., 1998).

Cele mai multe experiente privind efectul Marangoni la interfata gaz - lichid s-au facut pentru fenomene de absorbtie sau chemosorbtie intr-un strat stationar de lichid sau pentru filme in cadere libera. In studiul acestor sisteme s-au determinat conditiile critice de aparitie a instabilitatilor interfaciale, sau au fost masurati coeficientii de transfer de masa in conditii de turbulenta interfaciala. Pentru unele dintre sistemele studiate turbulenta interfaciala a fost indusa de prezenta unor substante care au micsorat tensiunea superficiala.

Cele mai multe experiente au fost efectuate pentru chemosorbtia bioxidului de carbon in solutii de monoetanolamina (Axelrod si Dilman, 1981; Axelrod, 1989; Warmuzinski si Bazek, 1990). Alte studii se refera la absorbtia CO₂ in apa in prezenta unor substante care modifica tensiunea superficiala (Suciu, 1968; Smigelschi si colab., 1969; Vasquez si colab., 1990; Vasquez si colab., 1993, 1996; Lu si colab., 1996, 1997 a,b; Floarea si colab., 1999).

Warmuzinski si Bizek (1990) au studiat, de asemenea, absorbtia CO₂ in solutii de NaOH. Studii asupra aparitiei instabilitatii interfaciale la desorbtia acetonei din apa intr-o coloana cu pereti udati au fost efectuate de Brian si colab. (1971).

Mai multe tipuri de corelatii intre coeficientii de transfer de masa si forta motoare in conditii de turbulenta interfaciala au fost propuse. Ele sunt ecuatii criteriale, in care apar criteriile Sherwood si Marangoni, acesta din urma caracterizand intensitatea turbulentei interfaciale. O definitie generala a criteriului Marangoni este:

(1.82)

unde Ds este diferenta de tensiune superficiala, R este o lungime caracteristica care reprezinta raza in interiorul careia fortele de natura vascoasa incep sa predomine asupra vitezelor superficiale, m este viscozitatea dinamica, iar D este coeficientul de difuziune.

Alti autori accepta o definire mai larga a numarului Marangoni:

(1.83)

unde c este concentratia iar a este o dimensiune caracteristica sistemului.

In utilizarea expresiei (1.83) este necesara cunoasterea distributiei de concentratie, ceea ce implica rezolvarea simultana a ecuatiilor de miscare si de difuzie, lucru care nu este intotdeauna posibil.

Ambele definitii ale criteriului Marangoni presupun o variatie liniara a tensiunii superficiale cu distanta. Corelatiile obtinute au fost clasificate de Golovin (1992) in doua mari categorii:

corelatii liniare (Maroudas si Sawistowski, 1964; Sawistowski si Austin, 1967; Ermakov si colab., 1988 si 1991; Konshin si Ermakov, 1986);

corelatii neliniare de forma Sh ~ Maⁿ, n = 0,25 - 0,5 (Brian si colab., 1971; Axelrod si Dilman, 1980; Axelrod, 1989; Imaishi si colab., 1982 si Warmuzinski si Buzek, 1990).

Unele din corelatiile propuse sunt valabile si pentru extractie. Variatia exponentului in corelatiile Sh = f(Ma) pentru diferite sisteme se explica, dupa Golovin (1992), prin faptul ca exista mai multe tipuri de celule convective, care apar in timpul turbulentei interfaciale, numite de tipul A, respectiv B.

Celulele convective de tipul A sunt considerate celule care pulseaza haotic si al caror timp de existenta este de acelasi ordin de marime ca si timpul caracteristic de circulatie a lichidului in celula. Astfel de celule "mor" repede dupa ce s-au format. Este firesc sa se presupuna ca astfel de instabilitati interfaciale sunt tipice pentru sistemele cu agitare, filme in curgere turbulenta, deoarece in astfel de sisteme interfata este continuu perturbata si refacuta de convectia fortata, astfel ca nu exista conditii pentru a se stabili structuri convective ordonate. Pentru celulele de tip A n este apropiat de 1, deci se stabileste o dependenta liniara intre Sh si Ma.

Celulele de tipul B sunt celule convective ordonate formand structuri convective de curgere regulate. Asemenea celule se formeaza, mai ales, ca urmare a unui proces de autoorganizare iar timpul lor de viata este mai mare decat timpul necesar unei circulatii a lichidului in celula. Acest tip de turbulenta interfaciala se observa in sisteme fara agitare sau cu agitare slaba. Pentru celulele de tip B exponentul criteriului Marangoni este 1/3.

Tipul de celule care predomina depinde de conditiile hidrodinamice externe si de stadiul de dezvoltare al convectiei interfaciale. Convectia fortata impiedica formarea unor structuri convective regulate, si de aceea in celulele cu agitare sau in sistemele in film in curgere la numere Reynolds mari apar, mai ales, celule de tip A. De asemenea, celulele de tip A se observa si in stadiile initiale ale convectiei interfaciale, de exemplu, pentru timpi mici de contact. Aceasta observatie este in concordanta cu unele rezultate experimentale, observate atat la interfata gaz - lichid, cat si la interfata lichid - lichid.

Cu toate acestea, sunt necesare experimente precise, care sa permita decelarea diferitelor tipuri de turbulenta interfaciala, mai ales ca manifestarile acesteia sunt dintre cele mai variate.

Astfel de experimente au fost deja efectuate, de exemplu, folosind tehnici optice (Okhotsismiskii si Hozawa, 1998). Au fost studiate 23 de sisteme gaz - lichid, fie din punct de vedere al absorbtiei si desorbtiei CO₂ in solventi organici si solutii apoase de monoetanolamina, fie al evaporarii si condensarii a 6 perechi de lichide binare. Folosind tehnica Schlieren autorii au pus in evidenta cuplarea convectiei Marangoni si Rayleigh. In sistemele Rayleigh, instabile apar curenti convectivi de tip "pana" determinati de diferente de densitate, turbulenta interfaciala fiind foarte slaba sau practic absenta. In sistemele Rayleigh, stabile se observa convectie celulara insotita uneori de stratificari orizontale si de turbulenta interfaciala. Mai multe tipuri de instabilitati au fost observate si explicate drept o combinare dintre instabilitatile de tip Marangoni si efectele termice. Okhtsimskii si Hozawa (1998) explica aparitia turbulentei interfaciale la scara mica prin cuplarea fenomenelor de absorbtie si evaporare, dupa cum se poate observa si in figura 1.29.

Se presupune ca in timpul absorbtiei se formeaza un strat distinct de lichid superficial saturat cu CO₂, in timp ce masa de lichid nu contine CO₂. Absorbtia este mai intensa la baza acestui strat, deoarece gradientii de concentratie au valorile cele mai mari. Pe de alta parte, la suprafata are loc evaporarea. In consecinta, stratul inferior se incalzeste datorita efectului termic al absorbtiei, in timp ce stratul superior se raceste prin evaporare. Din aceasta cauza apare un fenomen de convectie termica in acest strat.

In timp ce instabilitatile de tip Rayleigh sunt produse de forta gravitationala, care creeaza curenti verticali de diverse tipuri, instabilitatile Marangoni au loc datorita unor forte de tensiune superficiala, manifestandu-se prin convectie celulara, care poate fi haotica si turbulenta. In mod ideal convectia Marangoni poate fi observata in sistemele pentru care criteriul Ra = 0. Se pare insa, sustin Okhotsimskii si Hozawa (1998), ca in sistemele reale instabilitatile Marangoni sunt insotite de fenomene de convectie naturala.

Fig. 1.29 Mecanismul turbulentei interfaciale in substratul interfacial

pentru absorbtia CO₂ in diversi solventi organici

Aria hasurata reprezinta stratul superficial de lichid saturat cu CO₂ , (1) interfata gaz-lichid unde are loc evaporarea, (2) limita inferioara a stratului de lichid saturat, unde are loc absorbtia intensa;

in dreapta este prezentat profilul de temperatura (Okhotsimskii si Hozawa 1998)

Analiza efectuata de Okhotsimskii si Hozawa (1998) conduce la concluzia ca in cazurile in care atat criteriul Marangoni cat si criteriul Rayleigh au valori pozitive, instabilitatile Marangoni intensifica convectia Rayleigh. Sistemele pentru care Ma > 0 si Ra < 0 ofera cele mai bune conditii pentru observarea instabilitatilor de tip Marangoni. In acest caz se pot observa diverse tipuri de celule de curgere, stratificate sau nu.

Cele mai multe tipuri de instabilitati interfaciale, observate pot fi explicate printr-o combinare de factori fizici, fiind fenomene de tip Rayleigh - Bénard - Marangoni.