垂直圓盤液膜厚度特性實驗研究

喻江　姬海宏　朱躍

華電電力科學研究院（浙江杭州　310000）

化工設備

垂直圓盤液膜厚度特性實驗研究

喻江姬海宏朱躍

華電電力科學研究院（浙江杭州310000）

垂直圓盤表面液膜厚度受離心力、重力、黏性力以及慣性力等多重因素的影響，合力隨著位置的變化而變化，液膜分布復雜。借助激光探頭測量圓盤表面不同位置處液膜厚度隨物性及轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，結(jié)果表明：固定位置處液膜厚度與轉(zhuǎn)速非正相關，部分區(qū)域膜厚隨轉(zhuǎn)速的增加先增加，出現(xiàn)極值后減小至某一恒定值，而部分區(qū)域膜厚與轉(zhuǎn)速成遞增函數(shù)關系后便達到恒定值。圓盤表面的成膜性與黏度和轉(zhuǎn)速關系密切，低黏物系在低轉(zhuǎn)速時，盤面很難成膜；隨著轉(zhuǎn)速的提高，部分區(qū)域成膜，但整體成膜率低；當黏度提高后，低轉(zhuǎn)速下就能達到高成膜率。固定物系與轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)圓盤不同位置處膜厚存在差異，均一性較差，在設計圓盤時，簡單用平均膜厚表征圓盤表面液膜特性可能會失真。

圓盤膜厚規(guī)律

0　引言

圓盤反應器屬高持液量型表面更新式反應器，其通過槽中圓盤的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生連續(xù)液膜，形成較大的氣液傳質(zhì)面積。由于效率高、結(jié)構(gòu)簡單以及操作彈性大，該反應器被廣泛用于化學合成、催化工業(yè)、固體溶解、污水處理等方面。旋轉(zhuǎn)圓盤分為垂直和水平兩種，水平圓盤表面液膜不受重力的影響，情況較垂直圓盤簡單，CHARWAT研究了水平圓盤上的液膜分布，根據(jù)表面液膜形狀的不同，將其分為四類：（1）平滑膜；（2）同心波；（3）螺旋波；（4）不規(guī)則波型。

對于垂直圓盤上的液膜特性，由于膜厚存在一定的分布，表征膜厚分布規(guī)律比較困難，在研究中，一般采用平均膜厚來表征成膜厚度。王良生用實驗方法研究圓盤轉(zhuǎn)速（N，r/min）、液體黏度（μ，Pa·s）、盤徑（D，m）以及彈性對平均膜厚（δ，m）的影響，得出如下結(jié)論：膜厚隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，δ∝N0.5；液體黏度增大，黏性力增加，液膜厚度也隨之增加，δ∝μ0.5；盤徑增大，膜厚增加，δ∝D0.5。另外，該研究還擬合出了膜厚關聯(lián)式：

式中，ρ為密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

ZEEVALKINK等利用平板抽出模型，導出了圓盤反應器在水中的膜厚計算式：

式中，ν為流體的運動黏度，m2/s；R為圓盤半徑，m；H為攪拌軸與液面的距離，m；ω為角速度，rad/s。

SUGA根據(jù)實驗結(jié)果得到膜厚分布與平均膜厚的公式。VIJAYRAGHVAN通過實驗研究，得到了垂直圓盤上的液膜分布及特性：圓盤上的膜厚情況復雜，膜厚隨轉(zhuǎn)速和半徑的增加而增加；不同位置和轉(zhuǎn)速的液膜差異較大，不能簡單地用平均膜厚代替圓盤表面液膜特性；垂直圓盤未出現(xiàn)水平圓盤上的四種波形，重力的參與，使圓盤的成膜特性發(fā)生了較大的變化。本文以VIJAYRAGHVAN的工作為基礎，研究圓盤的表面液膜特性。通過改變槽內(nèi)液體的黏度（μ，mPa·s）和圓盤的轉(zhuǎn)速，揭示垂直圓盤上液膜的一些新現(xiàn)象。

1　實驗裝置

實驗裝置如圖1所示。為了保證較好的潤濕性，圓盤材質(zhì)采用打磨后的不銹鋼板，直徑D=0.15m，轉(zhuǎn)軸直徑d=0.01m；為確保圓盤能夠穩(wěn)定地運轉(zhuǎn)，不產(chǎn)生擺動，轉(zhuǎn)軸的安裝必須水平；圓盤垂直安裝在轉(zhuǎn)軸上。電機固定在底座上，以防止轉(zhuǎn)動時發(fā)生震動。本次實驗中，浸沒高度h設定為圓盤直徑的1/2，h= 0.075m，槽尺寸為0.55m×0.40m×0.50m，邊界效應可忽略不計。

圖1　實驗裝置

使用德國Precitec Optronik GmbH公司的CHRE測量系統(tǒng)，對圓盤表面局部膜厚進行非接觸式在線動態(tài)測量，所用探頭型號為RB200050。當探頭的光線在液膜表面形成的光點直徑小于12μm時，可認為是局部單點測試；液膜厚度方向的分辨率為0.1μm，采集頻率為1000 Hz，膜厚穩(wěn)定后取平均值。探頭固定在支架上，可以改變探頭的位置，方便測量圓盤上不同位置的瞬時膜厚。旋轉(zhuǎn)圓盤上的測量點分布如圖2所示，徑向變化測量點在α=90°（α為旋轉(zhuǎn)方向以液面為軸的角度，下同）處，圓盤半徑R的取值分別為25，35，45，55，65，68mm；切向變化時取R=45mm，角度從液膜上升端開始，取值依次為30，60，90，120，150°。黏度測量采用美國TA公司生產(chǎn)ARES高級流變儀，測量精度為±0.1mPa·s。

圖2　圓盤測量點分布圖

本次實驗采用的物系為水和甘油的混合物，通過改變兩者的相對比例來調(diào)整物系的黏度。由于甘油與水的表面張力和密度相差不大，在改變比例調(diào)整黏度的同時，可近似認為表面張力和密度不變。測量溫度為10℃。測量液體的黏度如表1所示。對于每種物系，旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)速在20～300 r/min之間變化，以測量在不同黏度、不同轉(zhuǎn)速、不同位置條件下旋轉(zhuǎn)圓盤的液膜變化情況。

表1　測量液體黏度

2　實驗結(jié)果

2.1膜厚隨半徑的變化

VIJAYRAGHVAN[5]通過實驗指出，旋轉(zhuǎn)圓盤表面膜厚沿徑向變化，雖然沒有明確指出變化規(guī)律，但從實驗結(jié)果可看出，膜厚與半徑成正相關關系，離圓心處越遠，液膜越厚。在本次實驗中（結(jié)果見圖3），在一定半徑區(qū)域內(nèi)，膜厚變化規(guī)律與VIJAYRAGHVAN[5]的實驗規(guī)律相同，隨著半徑的增大，膜厚呈上升趨勢。同時，本實驗還出現(xiàn)了新的現(xiàn)象，即膜厚隨半徑的變化出現(xiàn)一個極值，達到極值后，膜厚隨著半徑的增加而減??；極值的位置隨轉(zhuǎn)速的增加而向后移動，即轉(zhuǎn)速越大，出現(xiàn)極值位置處的半徑越大。

2.2膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化

膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律如圖4所示。固定黏度與位置，液膜厚度與轉(zhuǎn)速非線性相關，其先上升達到極值后再下降至恒定值；固定黏度和轉(zhuǎn)速，不同位置處的液膜厚度并不均一，存在差異；不同黏度液體和不同位置處的膜厚差異不同，例如在μ=680mPa·s的情況下，液膜最大處的厚度比最小處的厚度厚800μm左右，而在μ=1mPa·s時，兩者相差不到100 μm?？梢钥闯?，旋轉(zhuǎn)圓盤表面的液膜厚度變化存在很大差異，表明用平均厚度對液膜厚度進行簡化存在較大誤差。實驗測定圓盤半徑R=75mm，定義R＜45mm的區(qū)域為近圓心區(qū)，R＞45mm區(qū)域為遠圓心區(qū)。在高黏度（μ=680，253mPa·s）下，低轉(zhuǎn)速（N<35 r/ min）時，近圓心區(qū)域的膜厚比遠圓心區(qū)域的厚；隨著圓盤轉(zhuǎn)速的提高，膜厚增加，在轉(zhuǎn)速達到一定值時，液膜厚度趨于恒定，且達到恒定值時的臨界轉(zhuǎn)速隨著半徑的增加而增加。當μ=680mPa·s，R=25mm時，液膜厚度在N=25 r/min時基本達到平衡值；當R=35mm時，液膜厚度在N=40 r/min時達到平衡值；當R=45mm時，液膜厚度在轉(zhuǎn)速達到60 r/min時才達到平衡值；而在R=55,65,68mm處，在所測轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，一直沒有達到平衡膜厚。高轉(zhuǎn)速（N＞100 r/min）時，遠圓心區(qū)域膜厚超過近圓心區(qū)域膜厚。

圖3　膜厚沿徑向的變化

在低黏度（μ=100，42，1mPa·s）下，低轉(zhuǎn)速時，中間位置處的液膜較厚，其它規(guī)律與高黏物系類似。在測量轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，當μ=42mPa·s時，在R＜65mm處膜厚能達到恒定值：當μ=100mPa·s時，在R＜55mm的區(qū)域膜厚能達到恒定值，而在R＞55mm處未能達到恒定值。在更高黏度情況下，這些位置處的液膜厚度并未達到恒定值，這種現(xiàn)象驗證了隨著轉(zhuǎn)速的增加，圓盤各位置處都有一個平衡膜厚，這個膜厚不會再隨著轉(zhuǎn)速的增加而改變的猜測。

在液膜厚度達到平衡值之前，膜厚出現(xiàn)了一個峰值，這是離心力和重力相互作用的結(jié)果。對于固定位置，當轉(zhuǎn)速較低時，離心力小，重力影響突出，液膜向下流動；隨著轉(zhuǎn)速的增加，離心力變大，重力作用變小，液膜向下流動的加速度減小，此時液膜會增厚，這就是液膜厚度隨轉(zhuǎn)速的增加而增大的階段，直至最大值。當離心力繼續(xù)增加，直至其值大于重力時，液膜的加速度便向上，此處液膜慢慢變薄，直到恒定值，這就是膜的下降區(qū)。通過實驗觀察發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)圓盤表面存在膜厚和膜薄兩個區(qū)域，在低轉(zhuǎn)速時，兩區(qū)域交界處在近圓心區(qū)域；隨著旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速的增大，交界處慢慢向外移動，最后被甩出，逃離圓盤。

2.3膜厚沿切向的變化

在測量半徑R=45mm處，膜厚沿切向的變化規(guī)律如圖5所示。在黏度μ=253，100，42，1mPa·s下，在α=30，60°處，液膜厚度先上升，然后達到恒定值；而在下降段（α=90，120，150°），膜厚隨著旋轉(zhuǎn)圓盤轉(zhuǎn)速的增加，經(jīng)歷了一個極值點后達到恒定值。在μ=680mPa·s的情況下，由于黏度過高，黏性力起主導作用，導致在測定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，膜厚沒有達到最后的恒定值。上升段與下降段在膜厚達到恒定值之前是否有極值出現(xiàn)的差異為：極值點均出現(xiàn)在60 r/ min以后，此時離心力較大，在上升段，液體被黏性力帶上，離心力的作用使液體有一個向外的加速度，但由于轉(zhuǎn)速較高，液體還沒來得及被這個加速度帶到圓盤外側(cè)，便到達了下降段，所以上升段沒有出現(xiàn)極值點。在下降段，在較低轉(zhuǎn)速（N＜60 r/min）下，隨著轉(zhuǎn)速的增加，從槽內(nèi)帶上的液體增多，離心力相對較小，不能把液體帶到圓盤外側(cè)，液膜停留在盤上，膜厚增加；當轉(zhuǎn)速增加到一定值后，膜厚達到極值；當轉(zhuǎn)速繼續(xù)增加時，離心力足夠?qū)⒈P上液體甩出，下降段的液體被甩到圓盤外側(cè)，測試點（圓盤內(nèi)側(cè)）處膜厚下降，直至恒定值。

圖4　不同黏度下膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化

2.4膜厚隨黏度的變化

改變黏度，固定位置，測定圓盤的膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化。如圖6所示，黏度越高，液膜越厚，與平板抽出模型相同。此規(guī)律與文獻報道一致[5]。

2.5恒定膜厚

圖5　膜厚沿切向的變化

從圖4與圖5所示的膜厚隨轉(zhuǎn)速的變化可以看出，對于一定物系，圓盤表面的液膜厚度并不是隨著轉(zhuǎn)速的增加而一直增大，這與之前的文獻報道不同。從王良生和VIJAYRAGHVAR的實驗結(jié)果可以看出，液膜厚度隨著圓盤轉(zhuǎn)速的增加呈現(xiàn)上升趨勢。在本次實驗中，對于一定物系，將圓盤轉(zhuǎn)速提高，達到一定值時，液膜厚度會隨著圓盤轉(zhuǎn)速的升高而減小，直至一個恒定值，將其稱為恒定膜厚δ0。對于同種物系，不同位置處恒定膜厚大小不同，隨著半徑的增大而增大：δ0∝R。黏度不同，圓盤內(nèi)側(cè)和外側(cè)的恒定膜厚會產(chǎn)生差異，黏度越高，其差異越大。

圖6　膜厚隨黏度的變化

3　結(jié)論

（1）圓盤上液膜運動復雜多變。固定位置處液膜厚度與轉(zhuǎn)速非正相關：部分區(qū)域膜厚隨轉(zhuǎn)速的增加先增加，出現(xiàn)極值后減小至某一恒定值；而部分區(qū)域膜厚與轉(zhuǎn)速成遞增函數(shù)關系后便達到恒定值。

（2）圓盤表面的成膜性與黏度和轉(zhuǎn)速關系密切，低黏物系（如常態(tài)水）在低轉(zhuǎn)速時，盤面很難成膜，隨著轉(zhuǎn)速的提高，部分區(qū)域成膜，但整體成膜率低；當黏度提高后，在低轉(zhuǎn)速下就能達到高成膜率。

圖7　恒定膜厚隨位置的變化

（3）對于固定物系的旋轉(zhuǎn)圓盤，只要轉(zhuǎn)速足夠高，各處的液膜厚度都會達到一個恒定值，當達到這個恒定值后，液膜厚度不會再隨著轉(zhuǎn)速的增加而改變，將該恒定值定義為恒定膜厚。

（4）固定物系與轉(zhuǎn)速，旋轉(zhuǎn)圓盤不同位置處膜厚存在差異。在低黏度低轉(zhuǎn)速時，不同位置處的膜厚差異較小；而在高黏度情況下，圓盤表面液膜厚度不均一性比較明顯。在設計圓盤時，簡單地用平均膜厚表征圓盤表面特性可能會失真，此時應在研究圓盤表面瞬時膜厚以后建立新的模型。

Study on the Characteristics of Liquid Film Thickness for a Vertical Disk

Yu Jiang Ji Haihong Zhu Yue

The liquid film thicknessofverticaldisk is influenced by centrifugal force,gravitational force,viscous force and inertial force.The resultant force changeswith location,and the liquid film distribution is complex.The change rules of liquid film thickness along with physical properties and rotation speed at different positions of disk surface weremeasured by laser probe.The results showed that therewas a non-positive correlation between liquid film thickness and rotation speed ata fixed position,in some partarea,the liquid film thickness increased with the increase of rotation speed and then decreased to a constantvalue after theextreme value appeared,and in some otherarea,the liquid film thickness increased with the increase of rotation speed and then reached to a constantvalue.The film-formingabilitywasclosely related to viscosity and rotation speed,at low rotation speed,itwas difficult for low viscosity system to form a film;as the increase of rotation speed,the film formed in some area,and theoverall film forming ratewas low;when the viscosity increased,high film forming rate could beachieved under low rotation speed.Under fixed system and rotation speed,the liquid film thicknesshad differentvalue atdifferentposition of the rotating disk,and thehomogeneitywas relatively poor,and in the design ofdisk,itwas likely to cause distortionwhen the liquid film characteristicwassimply represented by average liquid film thickness.

Disk；Liquid film thickness；Rule

（略）

TQ 052.5

喻江男1988年生碩士助理工程師主要從事電廠化學方面的研究工作

2016年3月