氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降膜流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

陳　毅　鄭志堅(jiān)　朱家驊　蘭　赟

四川大學(xué)　成都　610065

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氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及降膜流動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

陳毅*鄭志堅(jiān)朱家驊蘭赟

四川大學(xué)成都610065

利用工業(yè)廢氣廢水自身的低位余能及熱力學(xué)勢(shì)差，構(gòu)建內(nèi)源性推動(dòng)力“場(chǎng)”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機(jī)制，發(fā)展一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，為提高纖維繩壁面降膜的均勻性和穩(wěn)定性，提出一種新型的布膜裝置。在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探討了液體在纖維繩外壁降膜的流動(dòng)特性，分析影響液體管外成膜均勻性和穩(wěn)定性的影響因素，提出液體成膜的最佳環(huán)隙間距應(yīng)控制在0.8 mm，液體流量應(yīng)控制在35.2～195.7mL/min。

PM2.5氣液交叉流降膜陣列環(huán)隙間距液體流量

我國(guó)正值工業(yè)化快速發(fā)展階段，近十年影響大氣環(huán)境質(zhì)量的主要因素是各種工業(yè)尾氣排放，其中PM2.5的危害最大[1-2]。PM2.5具有粒徑小、比表面積大、運(yùn)動(dòng)機(jī)理復(fù)雜及常規(guī)除塵設(shè)備難脫除等特點(diǎn)[3]。針對(duì)PM2.5治理的困難性，本課題組利用工業(yè)廢氣廢水自身的低位余能及熱力學(xué)勢(shì)差(溫差、濃差和相態(tài)變化),構(gòu)建內(nèi)源性推動(dòng)力“場(chǎng)”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機(jī)制，是有前景的技術(shù)方向。為此發(fā)展了一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，見(jiàn)圖1。連續(xù)垂直降膜流動(dòng)構(gòu)成自清潔表面，作為可清潔的PM2.5吸收面[4～5]。交叉流設(shè)備高位液槽底部為規(guī)整、錯(cuò)排分布的布孔器，開孔中間布滿垂直的化纖繩，構(gòu)成規(guī)整的環(huán)隙通道，高位液槽中水借助自身重力沿孔隙向下流動(dòng)，并在化纖繩表面形成連續(xù)均勻的液膜。

圖1　氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因此，纖維繩壁面處連續(xù)均勻的垂直降膜流動(dòng)作為氣液交叉流陣列捕集PM2.5的吸收面至關(guān)重要，是氣液交叉流陣列捕集PM2.5的基礎(chǔ)前提。本文欲通過(guò)研究纖維繩壁面的液體降膜流動(dòng)及流動(dòng)發(fā)展導(dǎo)致液膜斷裂，得出壁面處能夠形成連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的液膜條件，給出氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)布孔器內(nèi)分配環(huán)的最佳尺寸及合適的液體流量，為氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1　實(shí)驗(yàn)裝置及流程

實(shí)驗(yàn)流程見(jiàn)圖2。實(shí)驗(yàn)裝置主要包括兩個(gè)部分：布膜器和測(cè)量裝置。布膜器由帶有布孔板的高位液槽和纖維支撐繩組成。實(shí)驗(yàn)開啟前，首先通過(guò)流量計(jì)調(diào)節(jié)高位液槽至一定液位高度，在重力的作用下水沿著開孔與纖維繩環(huán)隙構(gòu)成的分配環(huán)內(nèi)垂直向下流，液體流出分配環(huán)后, 環(huán)內(nèi)壁對(duì)它的阻滯作用消失，液體沿纖維繩壁下流，形成垂直下降液膜。測(cè)量裝置主要包括：高速攝像儀、液體流量計(jì)、液位計(jì)及刻度計(jì)。實(shí)驗(yàn)中待高位液槽中液位高度穩(wěn)定后，記錄液體體積流量，打開高速攝像儀拍攝纖維繩表面液體布膜情況，實(shí)驗(yàn)中利用示蹤劑法獲得測(cè)量降膜流動(dòng)的平均速度，示蹤劑為紅墨水。實(shí)驗(yàn)中高位液槽布孔板采用厚度為4mm的有機(jī)玻璃，纖維繩表面未經(jīng)特殊處理，具有可潤(rùn)濕性。實(shí)驗(yàn)采用了4種不同孔徑的布孔器和纖維繩構(gòu)成液體分配環(huán)，見(jiàn)表1。研究液體在纖維繩壁面成膜的均勻性和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，布孔器、纖維繩和液位高度保持不變。

圖2　實(shí)驗(yàn)流程圖

表1　分配環(huán)尺寸與環(huán)隙間距對(duì)應(yīng)關(guān)系

2　實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析

2.1液位高度與液體流量

當(dāng)纖維繩外徑及高位槽液位高度確定以后，分配環(huán)液體流量主要取決于環(huán)隙的間距[6]。環(huán)隙間距微小的變化就會(huì)使分配環(huán)液體流量發(fā)生顯著的變化。當(dāng)纖維繩外徑及環(huán)隙的間距確定以后，增加液位槽高度，液體流量也相應(yīng)增加。不同高位槽液位高度時(shí)分配環(huán)內(nèi)的液體流量關(guān)系見(jiàn)圖3。

圖3　不同分配環(huán)下液位高度與流量關(guān)系

2.2垂直下降液膜厚度

對(duì)于1#分配環(huán)，由于1#分配環(huán)環(huán)隙間距過(guò)小，導(dǎo)致環(huán)隙內(nèi)液體流量不足而出現(xiàn)干壁現(xiàn)象，即表面不能完全被潤(rùn)濕而形成滴狀流；對(duì)于4#分配環(huán)，由于環(huán)隙間距過(guò)大，導(dǎo)致環(huán)隙內(nèi)液體流量過(guò)大，從而液體不能沿著壁面流動(dòng)而直接成股下流，很容易出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

分配環(huán)不同液位高度和纖維繩壁面液膜厚度的變化關(guān)系曲線見(jiàn)圖4。由圖可知，對(duì)于相同的分配環(huán)，增加液位高度，壁面處剪液膜厚也相應(yīng)增加，是因?yàn)殡S著液位高度增加分配環(huán)內(nèi)液體流量增加；當(dāng)液位高度一定時(shí)，改變分配環(huán)型號(hào)，壁面處液膜厚度也發(fā)生改變，分配環(huán)間隙越大，則液體流量越大，從而液膜厚度增加。隨著液膜垂直下降，液膜在自身重力作用下克服壁面處切應(yīng)力加速直至達(dá)到平衡，液膜厚度不斷減小。圖4(a)、(b)分別給出了2#、3#分配環(huán)(環(huán)隙間距0.8mm、1.3mm)不同液位高度下壁面處液膜厚度圖，當(dāng)環(huán)隙內(nèi)液體流量為35.2～195.7mL/min，壁面處能夠形成均勻且穩(wěn)定的液膜；液體流量低于35.2mL/min時(shí)，形成滴狀流；液體流量大于195.7mL/min時(shí)，壁面處液體出現(xiàn)偏流現(xiàn)象。

因此，對(duì)于氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)，分配環(huán)間隙宜在0.8～1.3mm之間，分配環(huán)內(nèi)液體流量控制在35.2～195.7mL/min之間，纖維繩壁面處能夠形成均勻穩(wěn)定的液膜，不會(huì)出現(xiàn)滴狀流或偏流現(xiàn)象。

2.3垂直下降液膜速度

隨著液體沿壁面不斷垂直下流，液體在重力作用下克服壁面剪切力不斷加速，液體流速不斷增加，與此同時(shí)壁面處因速度梯度引起的剪切力也不斷增大，當(dāng)該剪切力大于壁面能夠提供的最大摩擦力時(shí)，壁面處的液膜相對(duì)于壁面發(fā)生滑移斷裂，脫離壁面，此時(shí)均勻穩(wěn)定的液膜被破壞，同時(shí)不斷有水滴從水膜位置飛濺，液膜發(fā)生斷裂、液滴飛濺等現(xiàn)象[7]。對(duì)于均勻成膜操作區(qū)間，分別給出2#、3#分配環(huán)不同液體流量下纖維繩壁面垂直下降液膜的速度變化見(jiàn)圖5(a)、(b)。隨著液膜沿壁面下降，壁面處液膜速度均勻穩(wěn)定的增加直至達(dá)到平衡。2#分配環(huán)纖維繩壁面能形成連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的液膜，而3#分配環(huán)纖維繩壁面液膜會(huì)發(fā)生滑移斷裂，是因?yàn)楫?dāng)液膜速度增加至1.1m/s左右時(shí)，壁面處因速度梯度引起的剪切力超過(guò)壁面能夠提供的最大摩擦力，導(dǎo)致液膜相對(duì)于壁面發(fā)生滑移斷裂。因此對(duì)于氣液交叉流PM2.5捕集系統(tǒng)纖維繩壁面處能夠形成連續(xù)、均勻、穩(wěn)定的液膜條件是：分配環(huán)的最佳尺寸為0.8mm，最佳的液體流量為35.2～195.7mL/min。

圖4不同分配環(huán)下液膜厚度沿纖維繩的變化曲線

圖5　不同分配環(huán)下降膜速度沿纖維繩的變化曲線

3　結(jié)語(yǔ)

利用工業(yè)廢氣廢水自身的低位余能及熱力學(xué)勢(shì)差構(gòu)建內(nèi)源性推動(dòng)力“場(chǎng)”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機(jī)制，發(fā)展了一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，為了提高纖維繩壁面降膜的均勻性和穩(wěn)定性，提出了一種新型的布膜裝置，主要利用環(huán)隙間距保證布膜的均勻性，研究了環(huán)隙大小、液體流量對(duì)管外降膜的影響。

(1)該纖維繩外壁降膜裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能可靠，加工方便，液體成膜均勻。

(2)為了避免纖維繩外壁液膜一開始就出現(xiàn)滴狀或是成股流動(dòng)，形成均勻穩(wěn)定的液膜且不發(fā)生斷裂，應(yīng)控制分配環(huán)液體流量在35.2-195.7mL/min。

(3)環(huán)隙間距對(duì)液體在纖維繩外壁成膜的均勻性有較大的影響，液體成膜的最佳環(huán)隙間距應(yīng)控制為0.8mm。

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*陳毅：四川大學(xué)化工學(xué)院化學(xué)工程碩士。在讀，傳質(zhì)與分離研究。聯(lián)系電話：15196642894，E-mail:4192244762@qq.com。

**基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21276161)?？萍疾繃?guó)際科技合作專項(xiàng)(2014DFG92250)。

2016-03-07)