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Mass transfer to liquid films on an inclined plane

1968; Elsevier BV; Volume: 23; Issue: 6 Linguagem: Inglês

10.1016/0009-2509(68)89001-3

1873-4405

D.R. Oliver, T.E. Atherinos,

Fluid Dynamics and Turbulent Flows

Flow visualisation studies on a small inclined plane show that gravity-controlled roll waves cause mixing of the surface layers of liquid but have little effect on the liquid adjacent to the solid surface. Mass transfer experiments are described in which case β-naphthol and benzoic acid surfaces are dissolved by a water film; in other tests carbon-dioxide-air mixtures are absorbed into the surface of a flowing film. Mass transfer from solid to liquid is adequately predicted by the theory of a smooth laminar film, despite the presence of waves in the real case. Certain anomalies are present in the behaviour of dissolving β-naphthol. In the range of liquid film Reynolds numbers from 20 to 300, mass transfer from gas to liquid is markedly enhanced by waves. For each channel inclination, the mass transfer coefficient reaches a maximum value relative to the predictions of laminar flow theory when the Reynolds number is about 100. The maximum corresponds to a 250 per cent increase of mass transfer coefficient for a vertical surface, a 160 per cent increase for channel inclined at 45°, and a 90 per cent increase for channel inclined at 7°30′. The countercurrent gas flowrate has a moderate effect on mass transfer coefficient in the range of gas Reynolds numbers from 6000 to 32,000. Superimposed vibrations have very little effect on mass transfer to an already-rippling film, though the surface is disturbed by a complex pattern of sinusoidal waves. This supports the contention that the major contribution to mass transfer is from gravity-controlled roll waves and not from the more regular sinusoidal waves. Des études de visualisation d'écoulement sur un petit plan incliné montrent que les ondes de roulement contrôllées par la gravité, entraînent le mélange des couches de surface du liquide, mais n'affectent que très faiblement le liquide adjacent à la surface solide. On décrit les expériences sur le transfert de la masse dans lesquelles les surfaces de β-naphtol moulé et d'acide benzoïque sont dissoutes par une pellicule d'eau. On a vu, au cours d'autres essais, que des mélanges d'oxyde de carbone et d'air sont absorbés dans la surface d'un film d'écoulement. La théoire d'un film lamellaire continu prévoit de façon adéquate le transfert de la masse d'un solide à un liquide, en dépit de la présence d'ondes dans le cas réel. Il existe certaines anomalies dans le comportement de la dissolution de β-naphtol. Dans la gamme des nombres de Reynolds de 20 à 300 pour une pellicule liquide, le transfert de la masse d'un gaz à un liquide est notablement accru par les ondes. Pour chaque inclinaison de voie, le coefficient du transfert de la masse atteind une valeur maximum se rapportant aux prévisions de la théorie d'un écoulement lamellaire, quand le nombre de Reynolds est d'environ 100. Le maximum correspond à un accroîssement de 250% pour une inclinaison de 45°, et un accroîssement de 90% pour une inclinaison de 7°30′. Le débit du contrecourant gazeux a un effet modéré sur le coefficient du transfert de la masse dans la gamme des nombres de Reynolds de 6000 à 32,000 pour le gaz. Les vibrations surimposées ont un effet très faible sur le transfert de la masse à un film déjà ondulé, bien que la surface soit troublée par un ensemble complexe d'ondes sinusoïdales. Ceci soutient l'opinion selon laquelle la contribution majeure au transfert de la masse provient d'ondes de roulement contrôlées par la gravité et non pas des ondes sinusoïdales plus régulières. Versuche zur Sichtbarmachung der Strömung an einer kleinen schiefen Ebene zeigen, daas schwerkraftgesteuerte Rollerwellen zwar eine Mischung der Oberflächenschichten einer Flüssigkeit hervorrufen, während die Wirkung auf die in der Nähe der festen Oberfläche befindliche Flüssigkeit nur gering ist. Erst werden Massenübertragungsversuche beschrieben, bei denen gegossene β-Naphtol- und Benzoesäureoberflächen durch einen Wasserfilm aufgelöst werden; bei anderen Versuchen werden Kohlendioxyd/Luft Gemische an der Oberfläche eines strömenden Filmes absorbiert. Der Massenübergang vom Festkörper auf die Flüssigkeit kann, ungeachtet der in Wirklichkeit auftretenden Wellen, durch die Theorie eines glatten, laminaren Filmes mit hinreichender Sicherheit vorausgesagt werden. Im Verhalten von in Lösungen begriffenem Naphtol treten gewissen Anomalien auf. Im Bereich von Reynolds-Zahlen von 20 bis 300 für flüssigen Film wird die Massenübertragung vom Gas auf die Flüssigkeit durch die Wellen deutlich verstärkt. Für jede Kanalneigung erreicht der Massenübertragungskoeffizient einen Höchstwert in Bezug auf die Voraussagen der Laminarströmungstheorie, wenn die Reynolds-Zahl etwa 100 ist. Der Höchstwert entspricht einer 250-prozentigen Zunahme des Massenübertragungskoeffizienten bei einer vertikalen Oberfläche, einer 160-prozentigen Zunahme bei einer Kanalneigung von 45° und einer 90-prozentigen Zunahme bei einer Kanalneigung von 70°30′. Die Durchsatzgeschwindigkeit der Gegenströmung des Gases hat eine mässige Wirkung auf den Massenübergangskoeffizienten im Bereich der Reynolds-Zahlen von 6000 bis 32000 für Gase. Überlagerungsschwingungen haben eine sehr geringe Wirkung auf die Massenübertragung in einem bereits wellenförmigen. Film, obgleich die Oberfläche durch ein komplexes Bild von sinusförmigen Wellen gestört wird. Dies unterstützt die Behauptung, dass der Hauptbeitrag zur Massenübertragung von den schwerkraftgesteuerten Rollerwellen und nicht von den regelmässigeren, sinusförmigen Wellen geliefert wird.