LUCRAREA NR. 33

AMESTECAREA PRIN BARBOTARE

1. Importanţa lucrării

Trecerea unui gay printr-un mediu lichid se numeşte barbotare. Pentru barbotare se pot

utiliza gaze care reacţionează cu lichidul în conformitate cu cerinţele procesului tehnologic sau

gaze inerte care nu reacţionează cu gazul având doar rol de amestecare.

2. Consideraţii teoretice

Amestecarea fără elemente mobile se poate realiza prin circulaţia forţată a lichidelor (prin

recirculare, prin spaţii dotate cu şicane, prin ajutaje) sau prin barbotare de gaze sau vapori [5, 30,

36,72].

În acest caz, se deosebesc următoarele categorii de amestecătoare:

a. cu circulaţia gazului (barbotare);

b. cu circulaţia lichidului:

cu injector;

cu tub Venturi;

cu şicane;

în aparate tip coloană:

coloană cu şicane;

coloană cu site;

coloană cu umplutură etc.

Pentru a intensifica procesul de amestecare prin barbotare se utilizează tuburi de tiraj care

controlează ascensiunea aerului în interiorul vasului de amestecare, în sensul că pereţii tubului

separă curentul ascensional format din bulele de gaz şi elementele de fluid de restul volumului de

lichid din recipient, împiedecând antrenarea liberă a lichidului din restul recipientului. Efectul

tubului de tiraj se caracterizează prin faptul că viteza de curgere prin tubul de tiraj este mai mare

decât în cazul ridicării libere a bulelor de gaz [58, 62].

Procesul de dispersare a gazului în masa de lichid cuprinde trei etape [58, 62]:

formarea bulelor de gaz la nivelul orificiului din barbotor, prin care gazul pătrunde în masa

de lichid;

separarea bulelor de gaz de marginile orificiului de admisie;

mişcarea ascendentă a bulelor de gaz în masa de lichid.

Formarea bulelor de gaz este împiedecată de către presiunea hidrostatică a coloanei de

lichid care se opune ieşirii gazului prin orificiile barbotorului şi de tensiunea superficială care se

manifestă la nivelul suprafeţei de separare dintre lichid şi gaz şi care se opune desprinderi bulei

de gaz de pe orificiul barbotorului. Pentru a se asigura ieşirea gazului prin orificiile barbotorului,

presiunea gazului trebuie să fie mai mare decât presiunea hidrostatică a coloanei de lichid.

Presiunea gazului sau aburului (agentul activ), necesar operaţiei de barbotare, se

determină pe baza unei ecuaţii de bilanţ de energie între punctul de intrare a agentului activ în

barbotor şi mediul de lichid aflat în imediata apropiere a orificiului barbotorului, valoarea

minimă a presiunii trebuind să se determine din condiţia de a se preveni inundarea barbotorului

cu lichidul aflat în vasul de amestecare. În baza notaţiilor din figura 1, se obţine [58, 62]:

)(2

2

12 igd

lvpHgp (N/m

2) (1)

în care:

h este înălţimea coloanei de lichid din vas, m;

p1 – presiunea de la suprafaţa liberă a fluidului, Pa;

ρ – masa specifică a lichidului, kg/m3;

v – viteza de intrare a gazului în barbotor, m/s;

ρg – greutatea specifică a gazului la presiunea de ieşire din barbotor, N/m3;

i – coeficienţi de rezistenţă locală;

– coeficientul pierderilor liniare de presiune;

l – lungimea parcursului gazului în barbotor, m;

d – diametrul secţiunii de curgere a gazului prin barbotor, m.

Fig. 1. Principiul de funcţionare al unui barbotor [62].

Desprinderea bulelor de gaz de pe marginile orificiului de admisie. În cazul în care

presiunea gazului în barbotor are valoarea minimă limită la care se previne inundarea

barbotorului, desprinderea bulei de gaz de pe marginile orificiului duzei se produce în momentul

în care forţa ascensională este mai mare decăt tensiunea superficială.

Pentru o bulă de gaz de formă sferică de rază r forţa ascensională (Arhimedică) este

determinată prin relaţia [62]:

Q

Barbotor

H

P1

P2

gRF ga l3

3

4 (2)

în care:

l este densitatea lichidului;

ρg – densitatea gazului.

Dacă densitatea gazului este neglijabilă în raport cu densitatea lichidului, relaţia (2)

devine:

gRFa l3

3

4 (3)

Forţa de tensiune superficială care ţine legată bula de gaz de orificiul barbotorului este

determinată prin relaţia [62]:

cos2 rF (4)

în care:

σ este tensiunea superficială a sistemului lichid – gaz – perete solid;

r – raza orificiului barbotorului;

δ – unghiul de contact;

λ – factor de formă, care pentru corpul sferic este egal cu 1.

Dacă se consideră că lichidul udă perfect conturul orificiului barbotorului, = 0 şi relaţia

(4) devine [62]:

rF 2 (5)

Raza aproximativă a bulelor de gaz, care se obţin la ieşirea din orificiile barbotorului, se

determină prin egalarea relaţiilor (4) şi (5), rezultând relaţia [62]:

3

l2

3

g

rR (m) (6)

unde:

r este raza orificiilor prin care iese agentul activ din barbotor, m;

– tensiunea superficială a sistemului lichid-gaz, N/m;

l – densitatea lichidului care se amestecă, kg/m

3.

În cazul în care presiunea din barbotor este mai mare decât valoarea minimă limită, gazul

este expulzat cu o viteză mai mare prin orificiile barbotorului, diametrul bulelor de gaz crescând

cu creşterea vitezei de ieşire a gazului.

Mişcarea ascendentă a bulelor de gaz în masa de lichid. Din momentul separării bulei de

pe orificiul de evacuare a gazului, sub acţiunea forţei ascensionale, aceasta începe să se

deplaseze pe o traiectorie ascendentă, într-o mişcare uniform accelerată. Deplasării bulei de gaz

prin masa de fluid i se opune forţa de rezistenţă a mediului, datorată forţei de frecare a bulei de

gaz cu mediul înconjurător, a cărui expresie generală de calcul este [62]:

l2

2

2xr R

uF (7)

în care:

este un coeficient de rezistenţă;

u – viteza ascensională momentană a bulelor de gaz;

rx – raza bulei de gaz într-un punct al traiectoriei.

În momentul în care forţa ascensională Fa şi rezistenţa Fr a mediului devin egale, bulele

de gaz ating viteza maximă, iar mişcarea bulelor de gaz pe verticală se transformă într-o mişcare

uniformă. deplasarea bulelor de gaz în mişcare ascensională este deci rezultatul echilibrului

dintre forţele arhimedică şi de rezistenţă a mediului. Dacă se neglijează densitatea gazului, prin

egalarea expresiilor acestor două forţe se obţine relaţia prin care se determină viteza instantanee

maximă pe care o poate atinge bula de gaz în mediul lichid, într-un punct oarecare al traiectoriei

[60, 62]:

gRu

3

22 (8)

Valoarea coeficientului de rezistenţă este dependentă de regimul de deplasare al bulei de

gaz în masa de lichid: laminar, tranzitoriu sau turbulent [62]:

pentru cazul regimului laminar de deplasare (regim de curgere Stokes) când Re < 2,

coeficientul de rezistenţă se determină prin relaţia:

Re/24 (9)

pentru cazul regimului tranzitoriu de deplasare (regim de curgere Allen) când Re

(2...200), coeficientul de rezistenţă se determină cu relaţia:

68.0Re5,18 (10)

pentru cazul regimului de curgere turbulent (regim de curgere Newton), când Re > 200,

coeficientul de rezistenţă are valoarea:

45,0...44,0 (11)

Regimul de deplasare al bulelor de gaz este determinat pe baza valorii criteriului de

similitudine Reynolds, care pentru acest caz se determină prin expresia:

RuDu 2

Re (12)

Energia cedată pentru a se realiza amestecarea unui fluid prin barbotare este furnizată de

energia potenţială acumulată în gazul comprimat înainte de introducerea lui în vasul de

amestecare prin barbotor.

Energia transmisă de bulele de gaz lichidului înconjurător este egală cu energia eliberată

la destinderea izotermă a gazului, de la presiunea p2 cu care gazul iese prin orificiul barbotorului

la presiunea p1 existentă la suprafaţa liberă a lichidului.

Puterea consumată pentru antrenarea în mişcare a fluidului din vasul de barbotare poate fi

exprimată prin relaţia [60, 62]:

1

21 ln

p

pQpN W (13)

în care:

p1 este presiunea gazului la suprafaţa liberă a fluidului, N/m2;

p2 – presiunea gazului la ieşirea din barbotor, N/m2;

q – debitul volumic al gazului, măsurat în condiţiile de presiune existente la suprafaţa

liberă a fluidului, m3/s.

Debitul volumic de gaz se stabileşte cu relaţia:

Q = q S (m3/s) (14)

în care:

q este debitul volumic specific de gaz care este definit ca debitul de gaz raportat la

unitatea de suprafaţă a vasului de barbotare, m3/m

2s;

S – suprafaţa liberă a lichidului din vasul de barbotare.

Viteza de ieşire a gazului prin orificiile barbotorului trebuie să asigure energia cinetică

necesară învingerii rezistenţei lichidului datorată presiunii hidrostatice care se găseşte la

suprafaţa orificiului şi se determină cu ajutorul relaţiilor:

g

hgpp

g

v 122

2 sau

g

hgppv 122

(15)

Intensitatea agitării lichidului depinde de debitul specific de gaz (tab. 1.):

Tabelul 1.

Valori orientative pentru debitul specific de gaz q (m3/m

2s).

Nr.

crt. Tipul agitării Înălţimea coloanei de lichid , m

0,9 2,7

1. Agitare slabă 6,67 10-3

3,34 10-3

2. Agitare medie 13,40 10-3

6,68 10-3

3. Agitare intensă 16,7 10-3

15,90 10-3

Datele din tabelul 1 scot în evidenţă faptul că pentru înălţimi mai reduse ale vasului de

amestecare, debitul specific de gaz este mult mai mare. De aici rezultă următoarea concluzie: la

proiectarea sistemelor de agitare prin barbotare trebuie să se urmărească ca traseul bulelor de gaz

în masa de lichid să fie cât mai lung posibil.

Secţiunea totală St a orificiilor de evacuare a agentului activ se determină în baza relaţiei

(5.60) prin înlocuirea debitului volumic de gaz cu relaţia de definiţie (q = St v), rezultând:

Sv

qSt (16)

în care:

v este viteza de ieşire a gazului prin orificiile barbotorului, m/s;

q – debitul volumic specific de agent activ, m3/m

2 s;

S – suprafaţa liberă a lichidului din vasul de barbotare.

Numărul de orificii pe unitatea de suprafaţă a vasului de amestecare se determină cu

relaţia [62]:

SS

Sn t 1

1

(17)

unde: S1 reprezintă secţiunea unui orificiu, m2.

Diametrul orificiilor variază între 3 şi 6 mm, orificiile cu diametrul mai mic de 3 mm se

astupă uşor iar găurile cu diametrul de peste 6 mm provoacă un consum exagerat de agent activ.

Regimul de amestecare este generat de debitul şi de presiunea cu care gazul pătrunde în

masa de lichid (tab. 1). Intensitatea amestecării se evaluează în funcţie de debitul specific de

agent de barbotare raportat la suprafaţa liberă a amestecătorului.

Dezavantajul principal al procedeului de amestecare prin barbotare este următorul: gazul

care parcurge stratul de lichid iese la suprafaţă saturat cu vaporii lichidului. Din acest motiv, în

cazul lichidelor volatile, în procesul de barbotare pierderile de lichid sunt importante dacă gazele

sunt evacuate direct în atmosferă [60, 62].

3. Prezentarea standului de laborator

Standul utilizat în cadrul lucrării de laborator este un barbotor de laborator (fig. 2).

Standul este realizat dintr-un vas transpart care are drept scop vizualizarea procesului de

amestecare. Acesta se montează pe un suport metalic.

Fig. 2. Barbotorul de laborator:

1 – racord de alimentare cu aer; 2 – conductă de alimentare cu aer; 3 – cadru de susţinere;

4 – barbotor; 5 – vas transparent; 6 – racord de evacuare alestec; 7 – conductă de evacuare.

Alimentarea cu aer a barbotorului de face prin racordul conductei de alimentare cu aer.

1

2

3

4

5

6

7

Fig. 3. Sistemul de barbotare.

4. MODUL DE LUCRU

- se umple vasul transparent cu o cantitate de lichid măsurându-se nivelul de lichid de deasupra

barbotorului;

- se conectează racordul de alimentare cu aer comprimat la compresor;

- se porneşte compresorul şi se crează presiune în rezervorul acestuia;

- se deschide robinetul de alimentare al compresorului şi se are grijă ca presiunea aerului

introdusă amestecător să aibă o valoare constantă;

- în vasul de amestecare se introduce un marcator (cerneală) şi se cronometrează timpul necesar

pentru amestecarea celor două componente;

- pentru a vedea modul de amestecare se vor folosi trei tipuri de barbotoare (fig. 4) şi diferite

presiuni;

- valorile obţinute în cadrul determinărilor experimentale se vor trece în tabelul 2.

Fig. 4. Diferite tipuri de barbotoare.

Tabelul 2

Valorile experimentale.

Nr crt. Înălţimea de

lichid

Tipul de barbotor Presiunea aerului,

Pa

Timpul de

amestecare, s

1.

2.

3.

4.

1

2

4