Барботаж. Барботажный аэрозоль. Проблемы и решения

Министерство образования и науки Российской Федерации 
Южно-Российский государственный технический университет 
(Новочеркасский политехнический институт) 

В.Я. Хентов, Е.Г. Семин, Ю.В. Власов, 
В.М. Гасанов 

БАРБОТАЖ. 
БАРБОТАЖНЫЙ АЭРОЗОЛЬ. 
ПРОБЛЕМЫ И РЕШЕНИЯ

Санкт-Петербург 

Химиздат 

2024 

1 

УДК 66.069.82+532.529+532.529.6+532.694
+541.182.2/3 

Рецензенты: 
профессор, доктор технических наук В. В. Денисов (ЮжноРоссийский государственный технический университет); 
профессор, доктор физико-математических наук В. И. Снежков 
(Ростовский государственный строительный университет) 

Хентов В.Я., Семин Е.Г., Власов Ю.В., Гасанов В.М. 
Барботаж. Барботажный аэрозоль. Проблемы и решения: монография.– СПб: Химиздат, 2024, изд. 2-е, стер..− 193 с. 

ISBN  978-5-93808-485-8  

Рассмотрены способы генерации в жидкости пузырей газа, их 
всплывание в жидкости (барботаж), образование газожидкостных 
систем и их свойства. Основное внимание уделено разрыву пузырей на поверхности жидкости, образованию барботажного аэрозоля и селективности этого процесса, а также прикладным вопросам, 
связанным с применением барботажа и барботажного аэрозоля. 
Книга может быть полезна специалистам разнообразных 
производств, в работе которых используется барботаж, а также 
преподавателям, аспирантам и студентам вузов. 

ISBN 978-5-93808-485-8 

 Хентов В.Я., Семин Е.Г., Власов 
Ю.В., Гасанов В.М., 2013 

 Южно-Российский государственный технический университет 
(Новочеркасский политехнический институт), 2013 
 Химиздат, 2013,2024

  

Светлой памяти доктора технических 
наук, профессора Виктора Генриховича 
Глейма посвящается эта книга 

3 

Введение 

Барботаж (от франц. barbotage ‒ «перемешивание») это процесс продавливания пара или газа через слой жидкости. Он широко применяется в различных отраслях промышленности, барботажные явления наблюдаются и в природных условиях. 
Барботажный аэрозоль образуется в результате разрыва на 
поверхности жидкости пузырей газа. Пленка купола всплывшего 
пузыря быстро утончается, теряет устойчивость и разрывается. 
При этом образуется два типа капель. Капли из фрагментов пленки 
купола пузыря и, образующиеся при разрушении кумулятивной 
струи, выбрасываемой из полости пузыря, называют капельным 
уносом [1]. 
Это явление может стать причиной загрязнения парового 
пространства при кипении жидкости, а также воздушной среды 
при барботаже. Например, воздуха рабочей зоны в районе гальванических ванн и при выпаривании растворов радиоактивных изотопов. 
В то же время капельный унос играет важную роль во взаимодействии океан – атмосфера, образовании ядер конденсации и 
облаков, химического состава выпадающих осадков. С капельным 
уносом связано заряжение атмосферы над океаном. 
Барботажный аэрозоль создает серьезные экологические и 
технические проблемы, которые приходится учитывать при проведении ряда технологических процессов. Так при кипении жидкости в котлоагрегатах применяют специальные каплеуловители. 
Помимо загрязнения окружающей среды, капельный унос является причиной переноса бактерий и микроорганизмов, причем 
на значительные расстояния [1]. 
Авторы с глубокой благодарностью вспоминают научные 
контакты с такими учеными и замечательными людьми, как  
А.Н. Фрумкин, И.В. Петрянов-Соколов, Б.В. Дерягин, Г.И. Фукс, 
А.И. Русанов, С.С. Духин, Г.Г. Маленков, В.С. Савенко. 

4 

1. БАРБОТАЖ 
 
Барботаж – это сложный процесс, состоящий из генерации 
пузырей в жидкости, их всплывании в жидкости и разрыва пузырей, всплывших на поверхность жидкости. Все эти стадии в конечном итоге сказываются на составе пленочных и кумулятивных 
капель и их заряжении. Эти капли могут быть названы барботажным аэрозолем. 
При барботаже мы имеем дело с двухфазной газожидкостной системой. Газ является дисперсной фазой, а жидкость 
дисперсионной (сплошной) средой. Возможен вариант, когда газ в 
виде пузырьков движется навстречу жидкой фазе. Но и жидкая фаза может двигаться навстречу движения газовой фазы. В качестве 
газовой фазы могут выступать пары жидкости. Такая картина имеет место при кипении жидкостей. 
При барботаже возникает значительная суммарная межфазная поверхность. В результате чего эффективно протекают тепло- 
и массообменные процессы, интенсифицируются химические газожидкостные реакции. 
Для математического описания газожидкостных систем может быть использован анализ размерностей [2, 3]. При этом могут 
быть получены безразмерные критерии гидродинамического подобия. Например, критерий Вебера: 

We =
ρ𝑤𝑤 2𝑙𝑙

σ , 
где ρ – плотность жидкости; w – скорость перемещения фаз; l – 
геометрический размер (диаметр пузыря); σ – поверхностное натяжение жидкости. Критерий We характеризует постоянство отношения сил инерции к силам межфазного поверхностного натяжения в газожидкостных потоках. 
Барботаж, составляющий основу ряда технологических процессов, нашел широкое применение в различных отраслях промышленности. Это – подогрев и охлаждение воды, перемешивание, абсорбция, десорбция, ректификация, флотация. Это –
водоподготовка и очистка сточных вод, аэрация, озонирование воды и удаление растворенных газов, например, углекислого газа, 
сероводорода, метана и летучих органических соединений. 
Рассмотрим отдельные этапы барботажного процесса. 

5 
 

1.1. Генерация пузырей 
 
Можно наблюдать генерацию пузырей непосредственно в 
жидкости. Это гомогенный процесс генерации. Таким процессом 
образования пузырей является кавитация. Это весьма распространенное явление, которое обычно рассматривается как вредное явление, приводящее к разрушению поверхности твердого тела, 
вблизи которого возникает кавитация. К гомогенному процессу 
генерации пузырей в жидкости можно отнести процесс кипения 
при условии, что пузыри образуются внутри жидкой фазы. Особое 
место занимает генерация пузырей за счет разогрева жидкости при 
прохождении через неё электрического тока или за счет воздействия СВЧ-излучения. 
Процесс генерации пузырей в жидкости может рассматриваться как гетерогенный. Это относится к генерации пузырей, выдуваемых в жидкость через отверстие, щель или капилляр. В этом 
случае материалом капилляра является твердое тело. Поверхность 
твердого тела характеризуется краевым углом смачивания. Это обстоятельство существенным образом отражается на процессе генерации пузыря. В качестве гетерогенного процесса образования пузырей можно рассматривать процесс кипения, приводящий к образованию пузырей на горячей поверхности твердого тела. 
К гетерогенному процессу образования пузыря в жидкости 
можно отнести электрохимический процесс генерации пузырей на 
электродах, а также образования пузырей в жидкости при протекании химических реакций с выделением газообразных продуктов. 
 
1.1.1. Кавитация 
 
Одним из вариантов появления в жидкости пузырей является 
кавитация (от латинского cavitas – пустота) [4]. В жидкости образуются полости, заполненные паром или газом. Это становится 
возможным, если давление в определенной точке жидкости становится ниже некоторого критического значения pкр. Обычно оно 
равно давлению насыщенного пара жидкости при данной температуре. Различают два способа кавитации – гидродинамический и 
акустический. 

Мельчайшие пузырьки газа или пара, присутствующие в 
жидкости, попадая в область с давлением ниже pкр, начинают рас
6 
 

ти. Переходя в зону повышенного давления, пузырек начинает 
уменьшаться в размере. При малом содержании газа происходит 
захлопывание пузыря. То есть образовавшаяся в жидкости полость 
исчезает. Этот процесс происходит с большой скоростью. Происходит своего рода гидравлический удар. Если процесс схлопывания пузыря происходит вблизи поверхности твердого тела, то наблюдается разрушение его поверхности. 
Акустическая кавитация возникает при излучении звука в 
жидкость. Для этой цели используют ультразвуковые генераторы и 
магнитострикторы. Кавитация также возможна под действием лазерного импульса или электрического разряда. Кавитация может 
сопровождаться люминесценцией и воздействовать на протекание 
химических реакций. 
В насыщенной газом жидкости газ постоянно диффундирует 
в кавитационный пузырь, и схлопывание пузыря не происходит. В 
результате в жидкости могут появиться пузыри, не превышающие 
коллоидных размеров. Диаметр таких пузырей не должен превышать 1 мкм [5]. В этой работе стабильность таких пузырей связывается с проявлением размерного эффекта для поверхностного натяжения и внутреннего давления парогазовой смеси. 
Действительно, при ультразвуковой обработке воды наблюдается образование взвеси пузырьков, рассеивающих видимый 
свет. Размеры таких пузырьков соответствуют размерам частиц 
коллоидных систем. Такие пузырьки медленно всплывают на поверхность воды. 
 
Электрические явления при кавитации 
 
 
Электрические явления при кавитации подробно описаны в 
[6]. Считается, что возникновение заряда на межфазной границе 
жидкость – газ, тем более для пузырей в жидкости изучено недостаточно. Это осложняется тем, что одновременно работают эффекты наложения. 
 
При отрыве пузыря от поверхности твердого тела с площадью отрыва радиусом rs (радиус шейки пузыря) на его поверхности 
накапливается заряд Q. Расчет заряда может быть выполнен по 
формуле: 
𝑄𝑄 ≡
𝐴𝐴0
𝐵𝐵0 [1 − exp(−𝐵𝐵0τ)], 

7 
 

𝐴𝐴0 =
πεε0ξ𝑟𝑟𝑠𝑠
η𝑙𝑙
σ +
16

3 π2𝑓𝑓2𝑎𝑎пρж
𝑅𝑅о3

𝑟𝑟𝑠𝑠 , 

𝐵𝐵0 ≡

π𝑟𝑟𝑠𝑠2

λэε0𝑅𝑅22 , 

где τ – время; ε – диэлектрическая проницаемость; ξ – электрокинетический потенциал; η – вязкость; l – длина шейки отрывающегося пузыря (по порядку величины 10–6 м); ап – амплитуда пульсаций (10–5 м); ρж – плотность жидкости; f – частота (~20 кГц); σ – 
поверхностное натяжение; λэ – удельное электрическое сопротивление; ε0 – электрическая постоянная; Rо – радиус отрывающегося 
(осколочного) пузыря. 
 
Средняя плотность заряда на осколочном пузыре, рассчитанная по приведенным формулам, составляет ~ 8,8∙10–12 Кл. 
 
Под действием ультразвуковых колебаний возникает слабое 
свечение жидкости (сонолюминесценция). Это явление связано с 
концентрированием энергии акустического поля внутри кавитационных пузырей. 
 
1.1.2. Генерация пузырей при продувании газа через 
отверстия и щели 
 
Пузыри в жидкости могут быть образованы при продувании 
газа через одиночное отверстие. Пузырь на отверстии вначале увеличивается в размере. Отрыв пузыря происходит, когда архимедова сила станет равной силе сопротивления отрыва. Выражение для 
отрывного диаметра пузыря имеет вид [7]: 

𝑑𝑑 = 6𝑑𝑑0σ

g(ρж−ρг)

3
≈ 1,82We1/3, 

где d0 – диаметр отверстия, из которого выдувается пузырь; ρж и  
ρг – плотности жидкости и газа соответственно; g – ускорение свободного падения; σ – поверхностное натяжение жидкости. 
 
Из приведенного выражения следует, что отрывной диаметр 
пузыря d не зависит от расхода газа V. С увеличением расхода газа 
должна возрастать частота отрыва, которая может быть рассчитана 
по формуле: 
ν = 
6𝑉𝑉

π𝑑𝑑3 . 

 
Существует критический расход газа Vкр, при достижении которого диаметр пузыря увеличивается. В этом случае диаметр пу
8 
 

зыря d может быть рассчитан по формуле: 

𝑑𝑑 = 6𝑉𝑉

π𝑤𝑤п, 

где wп – скорость подъема пузыря. 
 
Критический расход газа может быть рассчитан по формуле 
[8]: 

𝑉𝑉кр =
π𝑑𝑑2𝑤𝑤п
6
=
π𝑤𝑤п
6 6𝑑𝑑0σ

g (ρж−ρг2/3
. 

 
Приведенные уравнения справедливы для пузырей размером 
1,0-1,5 мм. Пузыри большего диаметра поднимаются по спирали и 
при этом деформируются, принимая для диаметров 1,0-1,5 мм эллипсоидальную форму, а для диаметра свыше 5 мм полусферическую форму. 
 
Если расход газа превышает критическое значение Vкр, диаметр пузыря начинает зависеть от расхода газа V: 

𝑑𝑑 = 6𝑉𝑉

𝑤𝑤п . 

 
При медленном истечении газа в неподвижную жидкость из 
нижней части сосуда предложена формула для отрывного радиуса 
пузыря [9]: 

𝑟𝑟 ≈ 1,14 − 126 ρг
ρж−ρг0,9
σ𝑟𝑟o
g ρж1/3
, 

где ro – радиус отверстия. 
 
Можно говорить о двух режимах отрыва пузырей [8, 10]. При 
малых скоростях наблюдается образование отдельных пузырей и 
их движение в жидкости. Этот режим называют пузырьковым. При 
скоростях, превышающих критическое значение, наблюдается образование газового факела, от которого отделяются пузыри. Такие 
пузыри всплывают, соприкасаясь друг с другом. Такой режим получил название струйного режима. В этом случае на поверхности 
жидкости образуется слой динамической пены. 
 
Если пузырь сохраняет сферическую форму, то диаметр пузыря d при различных значениях критерия Рейнольдса Re (для ламинарного и турбулентного режимов) можно рассчитывать по 
формулам [7]: 

ламинарный режим (Re < 9) 𝑑𝑑 = 108ηж𝑉𝑉

πgρж−ρг1/4
; 

9 
 

турбулентный режим (Re > 9) 𝑑𝑑 = 72ρж𝑉𝑉2

π2gρж−ρг1/5
. 

 
Приведенные уравнения справедливы для пузырей, диаметр 
которых не превышает 1,5 мм. 
Для пузырькового режима барботажа приводится формула, 
связывающая отрывной диаметр пузыря d с диаметром отверстия 
dо, на котором образуется пузырь: 

𝑑𝑑 = 0,183σ𝑑𝑑о
ρж

3
 , 

где σ – поверхностное натяжение; ρж – плотность жидкости. 
 
Эта формула была получена из допущения равенства подъемной силы и силы сопротивления отрыву пузыря из отверстия 
при учете, что плотность газа равна нулю. 
 
Можно рассчитать частоту отрыва пузырей из одиночного 
отверстия: 
ν = 
𝑉𝑉г
1
6π𝑑𝑑03 , 

где Vг – расход газа через одиночное отверстие; d0 – диаметр отверстия. 
 
При струйном режиме барботажа образуется динамическая 
пена, газосодержание которой может составлять 85-90 объемных 
% [10]. 
 
В работе [10] приводится выражение для расчета критической скорости газа: 
𝑉𝑉кр =
2𝑤𝑤п
3 𝑑𝑑

𝑑𝑑о, 

где wп – скорость подъема пузыря; d – диаметр пузыря, dо– диаметр отверстия. 
Средняя скорость истечения газа через отверстие барботера в 
виде отдельных пузырей может быть найдена из выражения [11]: 

𝑢𝑢= ξ2(9𝑚𝑚+7)σ

9(𝑚𝑚+1)3ρж𝑅𝑅о , 

где ξ – коэффициент гидравлического сопротивления; m – массовая концентрация; ρж – плотность жидкости; Rо – отрывной радиус 
пузыря. 
 
В работе [11] рассмотрено также истечение газа в вязкую 
среду через отверстие радиусом rо. Для средней скорости истече
10