易妍妍,王智慧,楊超,毛在砂,王啟寶
(1中國礦業(yè)大學(xué)(北京),北京 100083;2中國科學(xué)院過程工程研究所,生化工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100190)
化學(xué)工業(yè)中的各類泥漿、懸浮液、涂料和顏料等均屬于高黏度非牛頓流體[1]。非牛頓流體中氣泡的行為在廢水處理、石油加工、發(fā)酵、聚合物脫揮、有機(jī)合成、沸騰、塑料泡沫加工以及環(huán)境保護(hù)等過程中發(fā)揮重要作用[2]。氣泡行為包括氣泡的生成、上升、聚并以及破裂[3]。氣泡的生成過程及該階段的傳質(zhì)決定了氣泡的初始大小與形狀以及氣液兩相間傳質(zhì)的初始條件,這些因素將極大影響氣泡的運(yùn)動和傳質(zhì)過程,在氣液兩相間的混合和傳遞過程中發(fā)揮重要作用。
姜韶堃等[4]分別對牛頓流體和非牛頓流體中氣泡生成行為進(jìn)行研究,研究了非牛頓流體的彈性效應(yīng)對氣泡生成過程的影響。Terasaka等[5-7]分別在不同流體中對氣泡生成過程進(jìn)行研究,考察了噴嘴直徑、氣室體積、氣體流量和流變性對氣泡體積的影響。范文元等[2,8]采用CCD攝像儀和計(jì)算機(jī)圖像采集與處理系統(tǒng),研究了20℃時(shí)在不同濃度聚丙烯酰胺(PAM)水溶液、噴嘴直徑、N2體積流率和氣室體積條件下氣泡生成行為。Gómez-Díaz[9-11]對CO2在非牛頓流體中的傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究,同時(shí)提出了傳質(zhì)系數(shù)和相界面積的關(guān)系式。李少白等[12-13]利用CO2探針測定了不同操作條件下CO2的體積傳質(zhì)系數(shù),考察了液相濃度、氣體流量以及流變性質(zhì)對運(yùn)動氣泡CO2群體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。
相較于氣泡生成動力學(xué)的實(shí)驗(yàn)和理論分析,生成階段傳質(zhì)方面的研究更少。氣泡的傳質(zhì)研究還主要集中于自由上升的氣泡[14-16],以及基于Higbie穿透模型[17-18]或表面更新模型[19]的牛頓流體中氣泡形成階段傳質(zhì)的理論分析。對涉及非牛頓流體中氣泡形成階段傳質(zhì)的研究報(bào)道較少,Martín等[20]將兩步生長動力學(xué)模型和Higbie穿透模型相結(jié)合,比較了在非牛頓流體與牛頓流體中氣泡生成階段的傳質(zhì),考察了液體的物理性質(zhì)對氣泡生成過程中的氣液傳質(zhì)的影響,實(shí)驗(yàn)表明非牛頓流體中的傳質(zhì)和牛頓流體傳質(zhì)有明顯區(qū)別,不能直接借鑒牛頓流體中氣泡傳質(zhì)的經(jīng)驗(yàn),液相的黏性減少氣泡的可變形性、擴(kuò)張性,減慢其生長,另外,由于液體黏度的增加,氣泡的生成時(shí)間也會增加。文獻(xiàn)中沒有系統(tǒng)研究非牛頓流體中針頭直徑、氣速、非牛頓流體濃度對氣泡生成階段傳質(zhì)的影響。因此系統(tǒng)地研究氣泡生成過程的傳質(zhì)具有重要意義。
本文實(shí)驗(yàn)研究了針頭直徑、氣速和非牛頓流體濃度這3個因素的影響,得到不同條件下氣泡生成過程中體積傳質(zhì)系數(shù)lk的變化,為氣液接觸設(shè)備的設(shè)計(jì)、開發(fā)和優(yōu)化提供參考。
傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)前采用氮?dú)猓兌?9.999%)吹脫連續(xù)相中的CO2。采用二氧化碳作為分散相(純度99.9995%),密度為1.977 kg·m-3,溶解度為0.144 g/100 g水(25℃)。選擇羧甲基纖維素鈉(carboxymethyl cellulose,CMC)制備非牛頓流體水溶液。CMC水溶液呈現(xiàn)剪切變稀特性,無色透明適于氣泡變化過程的觀測。配制CMC溶液的公式為其中x即為需要稱量的CMC的質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)過程中溶液溫度保持在21℃±1℃范圍之內(nèi)。同一組實(shí)驗(yàn)的溫度波動的范圍不超過0.25℃,對連續(xù)相水溶液黏度的影響不會超過2%。
實(shí)驗(yàn)所用試劑:CMC,分析純,國藥集團(tuán)化學(xué)試劑公司;N2,CO2,高純,北京千禧公司。
用50 ml比重瓶測定不同濃度CMC溶液的密度;由FTA200動態(tài)接觸角分析儀(First Ten Angstroms,美國)拍攝氣泡生成過程并測定溶液的表面張力等數(shù)據(jù);流體的流變特性通過LVDV-Ⅲ型黏度儀(美國Brookfield,SC4-18號轉(zhuǎn)子,小量樣品適配器SSA)測定。通過比重瓶測量的結(jié)果,當(dāng)CMC溶液濃度低于10 g·L-1(約1%)時(shí),溶液的密度與水的密度非接近(表1),在所研究的溶液范圍內(nèi),溶液濃度均低于10 g·L-1,因此CMC 水溶液的密度近似等于實(shí)驗(yàn)溫度下水的密度。
CMC溶液具有剪切變稀性,黏性隨剪切速率γ的變化可由冪律模型表示
式中,k和n為表征流體剪切變稀的參數(shù)。
實(shí)驗(yàn)中采用的CMC溶液的流變參數(shù)和密度見表1。
表1 不同濃度CMC溶液的流變性質(zhì)及物理性質(zhì) Table 1 Rheological and physical properties of different CMC solutions
非牛頓流體中氣泡生成形狀及傳質(zhì)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示,氣液傳質(zhì)過程發(fā)生在15 cm×15 cm×20 cm的無色透明有機(jī)玻璃槽中。實(shí)驗(yàn)所用針頭內(nèi)徑為2~4 mm,針頭直徑與容器長度的對比值為0.01左右,在這個尺度下,器壁效應(yīng)對氣泡的形狀及速度的影響可以忽略。氣泡在有機(jī)玻璃槽的中部通過針頭產(chǎn)生。實(shí)驗(yàn)選用了內(nèi)徑分別為2.5、3、3.5 mm的3種針頭(上海埃斯埃有限公司)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),在298.15 K下進(jìn)行。由高速攝像機(jī)捕捉氣泡生成過程中的形狀變化。由于經(jīng)過質(zhì)量流量計(jì)、單向閥后CO2會存在一定的損失,因此由鋼瓶出來的CO2量與進(jìn)入實(shí)驗(yàn)裝置中的存在偏差,故在做傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)前先進(jìn)行流速標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。
圖1 實(shí)驗(yàn)裝置 Fig.1 Schematic representation of experimental apparatus
首先通入大量CO2,使溶液中CO2處于飽和狀態(tài),此時(shí)CO2電極(Mettler Toledo,M400)的示數(shù)維持在170.8±1.0%sat。由FTA200動態(tài)接觸角分析儀配置的高速攝像機(jī)和圖像采集系統(tǒng)獲得氣泡生成過程的外形變化,動態(tài)接觸角分析儀的軟件對氣泡外形分析計(jì)算獲得氣泡生成過程中的表面積和體積隨生成時(shí)間的變化,通過體積對時(shí)間微分獲得氣體通過針頭處的實(shí)際流量,和氣體質(zhì)量流量計(jì)顯示流量對比獲得兩者的對應(yīng)關(guān)系。
在打開CO2閥門之前,先通入N2吹脫CO2至溶液中的CO2濃度達(dá)到最小(CO2電極示數(shù)維持在1.26±1.0%sat),停止通入N2。靜置3~5 min,調(diào)節(jié)CO2閥門,以不同流量產(chǎn)生CO2氣泡。步驟同上。
氣泡在靜止溶液中,任一點(diǎn)的體積和壓力滿足
氣泡的溶解速率
實(shí)驗(yàn)所用的二氧化碳?xì)怏w是純氣體。實(shí)驗(yàn)中體系是等溫的,溶液不可壓縮,且氣體在溶解過程中始終服從亨利定律,由于連續(xù)相體積很大,且在實(shí)驗(yàn)前用氮?dú)鈱θ芤褐械亩趸細(xì)怏w進(jìn)行反吹,故近似認(rèn)為CL在實(shí)驗(yàn)中等于0。
結(jié)合式(2)~式(4)得到氣液傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算公式
式中,pB=p1+ρLg(h0-h(huán));h0為噴嘴到液面的高度;p1為液面上方的壓力;ρL為溶液的密度;h為氣泡在垂直方向從噴嘴算起的位置。溶液的亨利常數(shù)通過COSMOtherm軟件進(jìn)行計(jì)算,得到亨利系數(shù)H=1737.19 kPa。由于在實(shí)驗(yàn)研究過程中,液面上方的空氣與大氣相通,因此p1為大氣壓p0;故
則式(5)變?yōu)?/p>
圖2 不同濃度下氣泡體積隨時(shí)間的變化 Fig.2 Bubble volume changes over time under different concentrations
圖3 不同濃度下氣泡表面積隨時(shí)間的變化 Fig.3 Bubble surface area changes over time under different concentrations
在氣速為5 ml·min-1、針頭直徑3.5 mm保持不變的情況下,不同CMC濃度條件下氣泡生成過程中的體積隨時(shí)間的變化如圖2所示,表面積隨時(shí)間的變化如圖3所示。同樣的氣流量下,在氣泡生成初期,不同濃度下氣泡的體積和表面積相差不大,基本隨著濃度的增大而增大;隨著時(shí)間變化,氣泡的體積和表面逐漸增大并隨著濃度的增大而增大;最終脫離時(shí),CMC濃度越大,氣泡的分離體積和表面積也越大。
在氣速為5 ml·min-1、針頭直徑3.5 mm保持不變的情況下,不同CMC濃度條件下氣泡生成過程中比表面積的變化如圖4所示,氣泡的比表面積隨氣泡生成過程逐漸減小,并隨著濃度增大而增大。氣泡的比表面積增大,傳質(zhì)量增大。氣液傳質(zhì)系數(shù)的變化如圖5所示。傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨CMC濃度的增大而增大。說明氣泡在非牛頓流體中的傳質(zhì)系數(shù)隨著非牛頓流體假塑性程度的增大而增大,即氣泡隨著冪律指數(shù)的減小而增大,與張麗[1]所得的在運(yùn)動氣泡上升過程中傳質(zhì)系數(shù)規(guī)律一致。原因可能是隨CMC濃度升高,黏度增大,擴(kuò)散系數(shù)增大[21],傳質(zhì)系數(shù)增大。
圖4 不同濃度下氣泡比表面積隨時(shí)間的變化 Fig.4 Bubble specific surface area changes over time under different concentrations
圖5 不同濃度下傳質(zhì)系數(shù)隨時(shí)間的變化 Fig.5 Mass transfer coefficient changes over time under different concentrations
實(shí)驗(yàn)在CMC濃度0.2%、針頭直徑3.5 mm保持不變的情況下,不同氣速條件下氣泡生成過程中氣泡體積隨時(shí)間的變化如圖6所示,表面積隨時(shí)間的變化如圖7所示,氣泡生成過程中氣泡的體積和表面積逐漸增大并隨著氣速的增大而增大。脫離體積隨氣速的增大而增大。由于溶液非牛頓性的影響,脫離體積增加的倍數(shù)明顯小于氣速增加倍數(shù)。
在CMC濃度0.2%、針頭直徑3.5 mm保持不變的情況下,不同氣速條件下氣泡生成過程中氣液傳質(zhì)系數(shù)的變化如圖8所示。傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨氣速的增大而增大。原因可能是高氣體流量加強(qiáng)了氣液界面附近的流體流動,氣液傳質(zhì)劇烈,因此對于同一濃度的流體,傳質(zhì)系數(shù)往往隨著氣體流量的增大而增大。
圖6 不同氣速下氣泡體積隨時(shí)間的變化 Fig.6 Bubble volume changes over time under different gas velocities
圖7 不同氣速下氣泡表面積隨時(shí)間的變化 Fig.7 Bubble surface area changes over time under different gas velocities
圖8 不同氣速下傳質(zhì)系數(shù)隨時(shí)間的變化 Fig.8 Mass transfer coefficient changes over time under different gas velocities
實(shí)驗(yàn)在氣速5 ml·min-1、CMC溶液濃度0.2%保持不變的情況下,不同針頭直徑條件下氣泡生成過程中氣泡體積隨時(shí)間的變化如圖9所示,表面積隨時(shí)間的變化如圖10所示,同樣的氣流量下,氣泡生成初期針頭直徑越小氣泡的體積越大;隨著時(shí)間變化,大針頭直徑生成的氣泡逐漸變大并超過小針頭;最終脫離時(shí),針頭直徑越大,氣泡的分離體積也越大。其研究結(jié)果同文獻(xiàn)[2]中一致。
實(shí)驗(yàn)在氣速5 ml·min-1、CMC溶液濃度0.2%保持不變的情況下,不同針頭直徑條件下氣泡生成過程中氣泡比表面積的變化如圖11所示,通過針頭CO2流量正比于針頭面積,流量大則產(chǎn)生體積較大的氣泡,氣泡的比表面積也大,傳質(zhì)量大。氣液傳質(zhì)系數(shù)的變化如圖12所示。傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨針頭直徑的增大而增大。原因可能是針頭直徑大,氣泡脫離時(shí)間長,氣泡內(nèi)部集聚的CO2多,CO2的吸收在停滯的液相中(氣泡生成不擾動液相,故沒有對流傳質(zhì)),只和穿過界面的擴(kuò)散傳質(zhì)有關(guān),CO2濃度推動力較大,傳質(zhì)系數(shù)大。
圖9 不同針頭直徑下氣泡體積隨時(shí)間的變化 Fig.9 Bubble volume changes over time under different needle diameters
圖10 不同針頭直徑下氣泡表面積隨時(shí)間的變化 Fig.10 Bubble surface area changes over time under different needle diameters
圖11 不同濃度下氣泡比表面積隨時(shí)間的變化 Fig.11 Bubble specific surface area changes over time under different needle diameters
圖12 不同針頭直徑下傳質(zhì)系數(shù)隨時(shí)間的變化 Fig.12 Mass transfer coefficient changes over time under different needle diameters
通過測定二氧化碳在羧甲基纖維素鈉溶液中生成氣泡的過程,分別研究氣速、CMC溶液濃度、針頭直徑對氣泡生成過程的氣液傳質(zhì)的影響,利用動態(tài)接觸角分析儀等儀器測量氣泡的表面積和體積,計(jì)算出氣泡生成過程的氣液傳質(zhì)系數(shù)lk。得出以下結(jié)論。
(1)在CMC濃度0.2%、針頭直徑3.5 mm保持不變的前提下,傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨氣速的增大而增大。
(2)在氣速5 ml·min-1、針頭直徑3.5 mm保持不變的前提下,傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨著CMC濃度的增大而增大。
(3)在氣速5 ml·min-1、濃度0.2%保持不變的前提下,傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡的生成過程逐漸減小,同時(shí)隨針頭直徑的增大而增大。
(4)目前討論的是靜止流體中氣泡生成過程的傳質(zhì)情況,在鼓泡塔等實(shí)際應(yīng)用中氣液多是運(yùn)動的,因此運(yùn)動流體中的氣泡生成過程的傳質(zhì)情況是下一步需要研究的。
符號說明
A ——?dú)馀莸谋砻娣e,mm2
a ——?dú)馀莸谋缺砻娣e,mm-1
CCMC——CMC質(zhì)量分?jǐn)?shù),%
d ——針頭直徑,mm
lk ——體積傳質(zhì)系數(shù),cm·s-1
Qg——?dú)怏w速率,ml·min-1
V——?dú)馀莸捏w積,mm3
w——質(zhì)量分?jǐn)?shù),%
γ——剪切速率,s-1
μ——黏度,mPa·s
ρ——密度,kg·m-3
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