基于高通量膜分散技術(shù)的氣液混合過程調(diào)控及模擬*

盛 曉

(1.化學品安全全國重點實驗室,山東青島 266104 2.中石化安全工程研究院有限公司,山東青島 266104)

0 前言

通常把直徑在1～1 000 μm的微小氣泡稱為微氣泡。早在1970年,Bowonder,等[1]就已經(jīng)開發(fā)了多孔盤制造氣泡的技術(shù);之后,Takahashi,等[2]和Ketkar,等[3]分別對壓力溶氣析出氣泡和電解析出氣泡技術(shù)開展了大量研究,使得微氣泡發(fā)生方法獲得了豐富和發(fā)展,常見的制備方法有剪切法[4-5]、加壓溶解法[6-7]、電解法[8-9]等。

由于微氣泡發(fā)生技術(shù)可以用于傳質(zhì)與反應強化,微米級氣-液顆粒的研究受到了廣泛關(guān)注,已逐漸發(fā)展出適用于不同場合的微氣泡制備方法,從傳統(tǒng)的溶氣-釋氣法到近年來的微流控技術(shù)[10],實現(xiàn)了氣泡制備速率和單氣泡粒徑控制,在水體治理、養(yǎng)殖、生物醫(yī)學、反應強化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用價值[11-13]。但由于該項技術(shù)放大困難,目前在化工生產(chǎn)中的推廣和應用仍受到限制。

近年來,基于膜分散技術(shù)制備微氣泡取得了一定進展[14],其優(yōu)點在于操作相對簡單、處理量大、傳質(zhì)性能優(yōu)異、生成氣泡的單分散性高。通過改變膜的材料、結(jié)構(gòu),液相性質(zhì)以及操作條件可以調(diào)控微氣泡的尺寸及其分布[15]。Liu,等[16-17]采用多通道陶瓷膜作為分散介質(zhì),研究發(fā)現(xiàn)膜孔徑、膜通道尺寸及其排列顯著影響微氣泡的尺寸及分布,而液相的表面張力和黏度對微氣泡的形成也有重要影響。

膜分散法形成微氣泡的機制十分復雜,以往的研究工作主要集中在2個方面:一是采用實驗方法來獲得有限的宏觀流體力學特性,如通過氣泡大小、氣含率、相界面積和體積傳質(zhì)系數(shù)等來反映膜分布器內(nèi)的流動與傳質(zhì)特性,并基于實驗結(jié)果提出經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式[18-21];二是采用計算流體力學(CFD)方法對膜分散過程中的氣液兩相流進行模擬[22-24],獲取內(nèi)部流場細節(jié),加深對膜分散過程機理的認知。目前的仿真模擬主要集中在不同操作參數(shù)下的一般流場分析,對于膜組件結(jié)構(gòu)、通道排布型式等的設計和優(yōu)化研究則相對較少。

如何在大通量、高氣液比下實現(xiàn)微氣泡的可控制備,并根據(jù)不同工況需求開發(fā)相應的高效混合器,是目前微氣泡技術(shù)應用于實際化工生產(chǎn)的關(guān)鍵和難點。本文借助多通道陶瓷膜處理通量大的優(yōu)勢,研究不同工藝操作條件、物性參數(shù)對陶瓷膜內(nèi)生成氣泡尺寸的影響規(guī)律,獲得生成微氣泡的較優(yōu)條件,在高通量下實現(xiàn)對氣泡尺寸分布的有效調(diào)控;同時結(jié)合CFD仿真模擬,對操作條件和膜結(jié)構(gòu)影響分散性能的機理進行剖析,對膜管結(jié)構(gòu)進行篩選、設計和優(yōu)化,為開發(fā)大通量、氣泡單分散性高的新型高效氣液混合器提供設計思路和理論支持。

1 材料與方法

1.1 實驗材料

多通道陶瓷膜管由江蘇久吾高科技股份有限公司提供,膜管尺寸為φ30 mm×500 mm,單通道直徑為3.5～4.0 mm,孔隙率為30%～35%,平均孔徑為50 nm～5 μm,通道數(shù)為7～61。十二烷基硫酸鈉(SDS),AR 92.5%～100.5%,國藥集團化學試劑有限公司生產(chǎn)。羥甲基纖維素鈉(NaCMC),黏度800～1 200 mPa·s,上海阿拉丁有限公司生產(chǎn)。

1.2 氣液混合與表征系統(tǒng)

氣液混合與表征實驗系統(tǒng)由氣泡發(fā)生裝置、氣泡表征裝置和氣液分離裝置組成(圖1)。

圖1 氣液混合與表征系統(tǒng)示意

其中,氣泡發(fā)生裝置包括循環(huán)泵、質(zhì)量流量計、氣液混合器以及氣泡觀測室。液體由泵輸送至氣液混合器,氣體經(jīng)減壓閥、氣體質(zhì)量流量計進入混合器,在混合器中氣相被剪切成大量微小氣泡,通過觀測室后從頂部流出,經(jīng)氣液分離后液相循環(huán)進料。

觀測室用于觀測氣泡發(fā)展和運動行為,主體為2 L方形有機玻璃容器,長寬皆為0.05 m,高為1 m。

所用氣液混合器為不銹鋼金屬套殼內(nèi)置多通道陶瓷膜管,兩端使用全氟O型圈密封,通過法蘭固定并與前后管路連接。

1.3 表征與測試儀器

實驗中利用高速攝像機與微焦鏡頭組合對觀測室運動氣泡進行拍攝和尺寸表征,表面張力和黏度則分別通過拉環(huán)法和旋轉(zhuǎn)法測試,表征與測試儀器具體配置如表1所示。

表1 表征與測試儀器配置

1.4 多通道陶瓷膜內(nèi)氣液混合效果實驗

實驗開始前需要測定標尺尺寸,將實際拍攝的尺寸與圖像像素相關(guān)聯(lián)。通過LED照射光路上放置直尺,將直尺與光路相切,然后拍攝直尺圖像。利用圖像處理軟件的標定工具包對圖像進行標定,實現(xiàn)兩者的關(guān)聯(lián)。

實驗時陶瓷膜管置于金屬管殼內(nèi),使用法蘭連接固定,后接觀測室底部,用管路相連。設定好氣液相流量,待氣泡流動穩(wěn)定后,由高速攝像機拍攝不同操作參數(shù)和物性條件下的氣泡圖片,通過圖像分析軟件獲得氣泡尺寸分布數(shù)據(jù)并計算平均直徑db;氣含率則通過體積法測定,利用通氣前后液面的高度差來計算裝置內(nèi)平均氣含率。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同結(jié)構(gòu)陶瓷膜管的跨膜壓差

在混合器設計和選型時,壓降是一個非常重要的特征參數(shù),壓降過大會使管道內(nèi)流動波動劇烈,增大操作和控制難度,導致能耗顯著提升,且會影響膜的使用壽命。因此,針對目前已商品化的主要結(jié)構(gòu)陶瓷膜管進行了初步篩選,同時獲取CFD模擬需要的模型參數(shù),具體膜管規(guī)格如表2所示。

表2 不同結(jié)構(gòu)陶瓷膜管規(guī)格

實驗中采用SDS水溶液作連續(xù)相,空氣作分散相,保持液體流量為10 L/min,在0.2～5 L/min較寬氣體通量范圍內(nèi),分別測定了孔徑為50,200,500,1 200,5 000 nm陶瓷膜管(通道數(shù)皆為19)的跨膜壓差,結(jié)果如圖2(a)所示。跨膜壓差隨孔徑增大而減小,并隨進氣量提升,不同孔徑膜管的跨膜壓差有不同程度的增大。為保證工業(yè)生產(chǎn)較高的進氣量,在5 L/min高氣通量下對比各種孔徑膜管可知,50 nm膜管壓降達到0.75 MPa,不適宜大規(guī)模生產(chǎn);1 200,5 000 nm膜管壓降變化幅度雖然很小,但由于孔徑較大,形成氣泡的尺寸在毫米級;200,500 nm膜管跨膜壓差相近且隨進氣量提高,壓降增長較緩,氣泡尺寸相對較小(<800 μm),氣泡尺寸隨膜管孔徑的變化關(guān)系如圖3(a)所示。

圖2 不同結(jié)構(gòu)膜管篩選實驗結(jié)果

圖3 不同孔徑和通道數(shù)膜管中氣泡尺寸(QG=5 L/min,QL=10 L/min)

在膜管不同通道數(shù)的篩選實驗中,分別測定了7,19,37,61通道陶瓷膜管(孔徑皆為200 nm)的跨膜壓差,結(jié)果如圖2(b)所示。相同氣體流量下,跨膜壓差隨通道數(shù)增加而逐漸降低,膜管壓降由大到小排序:7通道>>19通道>37通道>61通道,其中,19通道與37通道壓降相近,且隨著氣量提高至5 L/min,壓降基本維持在0.4 MPa左右。隨通道數(shù)目增多,氣泡尺寸稍有增大,如圖3(b)所示,在氣體流量QG=5 L/min、液體流量QL=10 L/min下,平均氣泡尺寸在400～500 μm左右。考慮到通道數(shù)目越多,制造和加工成本越大,實際應用選擇19通道或37通道膜管較優(yōu)。

結(jié)合孔徑、通道數(shù)的跨膜壓差和測定試驗結(jié)果,綜合實際生產(chǎn)需求和經(jīng)濟性原則,高通量下孔徑應優(yōu)選200～500 nm,通道數(shù)優(yōu)選19～37。

2.2 多通道陶瓷膜內(nèi)氣液混合效果

實驗中選取200 nm-19通道陶瓷膜管作為混合器,以20 ℃,常壓下的空氣作為氣相,在不同液-氣體系中,研究了不同操作參數(shù)和物性條件下多通道陶瓷膜內(nèi)氣液混合效果。為研究表面張力對分散過程的影響,采用含SDS的水溶液作為液相;為研究黏度對分散過程的影響,采用含NaCMC的SDS水溶液作為液相。這些液相溶液的物理性質(zhì)如表3所示。

表3 液相溶液物性數(shù)據(jù)

2.2.1 氣液比的影響

在2號液相溶液-空氣體系中研究了氣液比(QG/QL)對氣泡尺寸的影響,保持較高氣體流量為5 L/min不變,調(diào)節(jié)氣液比為0.1～10,高速攝像機拍攝的部分氣泡圖片見圖4。

圖4 不同氣液比下氣泡高速攝像示意

圖5給出了不同氣液比對氣泡尺寸和氣含率的影響結(jié)果,總的來說,液體流量越高,氣液比越小,氣泡尺寸越小。這是因為膜表面剪切力的大小與氣液流速有關(guān)。剪切力可表示為無因次準數(shù)Ns[25](見式(1)),實驗條件下uG=0.7 m/s,uL=0.035～3.5 m/s,液相流量越高即液體流速越快,膜表面剪切力越大,氣液湍流程度越大,易于形成尺寸更小的氣泡。實驗發(fā)現(xiàn)在氣液比較低(<1)時氣泡尺寸變化不明顯,小氣泡被高流量液體快速帶走,隨著氣液比增大至1,氣含率升高到20.5%,之后氣泡尺寸顯著變大,大氣泡上升速度較快,停留時間更短,氣含率隨之降低。

圖5 氣泡尺寸和氣含率隨氣液比的變化

(1)

式中:ρmix——氣液兩相混合密度,kg/m3;

uG——氣體流速,m/s;

uL——液體流速,m/s;

ΔP——跨膜壓差,Pa。

2.2.2 氣液兩相流量的影響

由圖6可知,當保持高氣體流量,液體流量大于5 L/min時,氣泡平均直徑幾乎沒有明顯變化,也就是說高液體流量對氣泡尺寸的影響很小。這與Liu,等[17]和Trushin,等[26]早前的研究得到的結(jié)論相似。當液體流量較低時,氣泡直徑將隨液體剪切力的增大而明顯降低,而在高液體流量時,增大剪切力的同時增加了氣泡的不穩(wěn)定性,膜上氣泡之間的相互接觸和擠壓增多,氣泡間的液層厚度減小,導致小氣泡大量聚并,表現(xiàn)為氣泡平均尺寸的不明顯變化。此時,氣泡大小將主要受到氣體流量的影響。

圖6 氣泡尺寸隨液體流量的變化

由圖7及圖8可知,隨氣體流量增大,氣泡尺寸逐漸增大;氣含率隨氣體流量增大而不斷提升,呈現(xiàn)線性增大的趨勢(圖9),這是因為增大氣體流量會使氣泡體積增大,單位時間內(nèi)生成的氣泡個數(shù)變多,導致氣含率顯著增大。

圖7 氣泡尺寸隨氣體流量的變化

圖8 不同氣體流量下氣泡的高速攝像結(jié)果

圖9 氣含率隨氣體流量的變化

在工程實踐中往往希望獲得更小的氣泡,同時還要保證較高氣液比和較高的通量。因此,在固定氣液比下,考察了不同氣液通量的影響,圖10顯示氣、液通量越大,氣泡尺寸越大。這說明在實驗條件下氣體流量增大對形成小氣泡的“負作用”強于液體流量增大的“正作用”。因此,工業(yè)放大過程中形成小氣泡更為困難,不僅要選取合適的操作條件范圍,還要綜合物性和混合器結(jié)構(gòu)進行設計。

圖10 氣泡尺寸隨氣液通量的變化

2.2.3 表面張力的影響

以空氣為分散相,1-4號液相溶液為連續(xù)相,液體流量保持10 L/min不變,室溫下測定了不同通氣量下氣含率和氣泡尺寸隨表面張力的變化,結(jié)果見圖11、圖12。

圖11 氣含率隨表面張力的變化

圖12 氣泡尺寸隨表面張力的變化

從圖11、12可以看出,實驗條件下在純水-空氣體系(72 mN/m)中氣泡平均直徑在1.75～2.60 mm范圍內(nèi),大氣泡上升速度很快,氣含率較低,空氣流量為2 L/min時僅為5.45%。隨表面張力降低,氣泡尺寸顯著減小,氣含率明顯提高,這是因為表面張力越低,氣泡維持球狀的能力越弱,氣泡直徑越小,而小氣泡上升速度更慢,表現(xiàn)為整體氣含率升高。尤其在較低表面張力(38 mNm)下,氣泡平均直徑可減小至315～512 μm,氣含率最高可達29.7%(QG=2.0 L/min)。

2.2.4 黏度的影響

以空氣為分散相,2、5-8號液相溶液為連續(xù)相,室溫下測定了不同通氣量下氣含率和氣泡尺寸隨黏度的變化,結(jié)果如圖13、圖14所示。

圖13 氣含率隨黏度的變化

圖14 氣泡尺寸隨黏度的變化

從圖13、14可以看出,隨著黏度增大,氣泡尺寸逐漸增大,這是因為黏度的增大導致氣液湍動強度降低。低黏度時(<5 mPa·s)氣泡增大不太明顯,黏度增大使得氣泡受到的曳力增大,上升速率減慢,停留時間延長,表現(xiàn)為氣含率有所升高;之后氣泡增大到接近1.5 mm,大氣泡受到的慣性力占主導,上升速度加快,表現(xiàn)為氣含率降低。因此,總體上氣含率呈現(xiàn)先增后減的趨勢,由此可知,氣含率受到氣泡尺寸、表觀流速、液相性質(zhì)多因素共同影響。

2.3 陶瓷膜構(gòu)型的設計和優(yōu)化

由上述實驗可知,氣泡的運動和尺寸分布是多種因素共同影響的結(jié)果,它與體系的物性參數(shù)、操作參數(shù)、混合器的結(jié)構(gòu)參數(shù)等有關(guān)。其中,混合器的選擇和設計對于體系的氣含率、氣泡大小以及氣液傳質(zhì)等起到關(guān)鍵影響。因此,混合設備內(nèi)氣液兩相的流動行為可以通過混合器的優(yōu)化設計來控制。

本節(jié)利用CFD技術(shù)直觀準確地模擬流場特性,并結(jié)合實驗研究混合器內(nèi)氣液兩相流的運動行為,分析和比較在不同表觀流速和氣液比下內(nèi)部流場變化和氣泡特性,從而調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)和混合器結(jié)構(gòu)參數(shù),實現(xiàn)對微氣泡體系尺度及分布的精準調(diào)控。

2.3.1 CFD仿真模擬

利用ANSYS-FLUENT商業(yè)軟件并采用歐拉雙流體模型和標準k-ε湍流模型對多通道陶瓷膜內(nèi)氣液兩相流進行數(shù)值模擬。假設氣液流體相為不可壓縮流,不考慮相間熱量傳遞。

a) 模型建立。選取200 nm-19通道陶瓷膜管建立三維仿真混合器模型(圖15),幾何尺寸見表4。

表4 陶瓷膜混合器幾何模型尺寸

圖15 19通道陶瓷膜模型和網(wǎng)格劃分(局部加密)

無機陶瓷膜管屬于多孔過濾介質(zhì),使用Fluent中的多孔介質(zhì)模型進行模擬,對于簡單的、內(nèi)部各項同性的均勻多孔介質(zhì),模型阻力系數(shù)可利用簡化的Darcy定律方程式(2)進行計算。根據(jù)2.1壓差實驗數(shù)據(jù),將19通道膜管不同氣速下的跨膜壓差代入方程,并擬合得到黏性阻力系數(shù)和慣性阻力系數(shù),分別為6.72×1013和6.53×1011。

(2)

式中:1/α——黏性阻力系數(shù);

C2——慣性阻力系數(shù);

μ——氣體黏度,Pa·s;

v——過濾速度,m/s;

ΔP——跨膜壓差,Pa。

CFD模型的初始條件及邊界條件設置見表5。

表5 初始條件和邊界條件設置

b) 結(jié)果分析。氣體由外向內(nèi)滲透,壓力由外向內(nèi)遞減(圖16),最外圈12個孔道附近壓力梯度大,中間區(qū)域壓力梯度很小,可知對于以壓力為驅(qū)動的膜滲透過程,壓力梯度越大,意味著氣體滲透通量越大,而中心通道對整個通量的貢獻幾乎為0。

圖16 陶瓷膜管截面上的壓力分布

分析膜管在不同氣體流量下的壓力分布特性并與實驗值進行比較(圖17),跨膜壓差和氣含率的模擬值與實驗值較為接近,偏差分別在±10%和±15%范圍內(nèi),模擬結(jié)果較為準確。

圖17 模擬計算值和實驗值對比

進一步分析截面上的速度分布(圖18),可以看出氣體由外向內(nèi)滲透,最外圈12個通道附近氣體流速最大,內(nèi)部7通道滲流速度很小;速度矢量圖中流線大致由外向內(nèi)沿徑向分布,速度逐漸遞減。中間孔的徑向速度很小,對滲流幾乎沒有作用;最外層孔道沿徑向方向速度達到最大值,這是因為越靠近氣相滲流側(cè),壁厚效應越弱,滲流阻力越小,氣體滲流速度越快。這說明滲流時,外層孔起主要作用,這與分析膜管截面壓力分布的結(jié)論一致。

圖18 截面上的速度分布(左)和矢量分布圖(右)

在氣速為5×10-5kg/s下研究陶瓷膜管內(nèi)氣含率的變化,選取軸對稱的4個孔道(外層2個,中層2個)進行分析,氣含率分布如圖19所示。

圖19 不同孔道內(nèi)的局部氣含率分布

從結(jié)果可以看出,最外層孔道氣含率明顯高于中間層孔道,局部氣含率沿軸向高度逐漸增大,底部進口端最小,在出口端附近達到最大,這是因為氣體經(jīng)膜管滲入孔道需要一定時間,初段氣含率較小,由于液體沿軸向流動,經(jīng)過一段距離后,氣液相間的強烈湍動使得氣泡發(fā)生相互碰撞、破裂和聚并,氣含率逐漸增大。針對陶瓷膜管進行了不同表觀氣速下的模擬,得到的結(jié)果(圖17(b))初步表明,整體平均氣含率隨表觀氣速的增大而增大,與前述試驗獲得的規(guī)律一致。

通過19通道陶瓷膜管的CFD模擬可以得到結(jié)論:①最外層12孔道對氣體滲流的貢獻最大,中間孔對滲流幾乎沒有作用;②混合器內(nèi)水-空氣體系平均氣含率隨氣體流量增大而增大,模擬氣體質(zhì)量流量范圍1×10-5～10×10-5kg/s,即體積流量0.5～5 L/min,對應氣含率為1.9%～9.7%,可為小試實驗提供理論支持并互為補充。

2.3.2 膜管結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)前述CFD模擬的結(jié)果,由于內(nèi)部7孔道對滲流作用較小,從節(jié)省材料成本方面考慮,嘗試設計2種膜管構(gòu)型:花瓣型、中空型,如圖20所示。

圖20 不同構(gòu)型膜管橫截面

對上述構(gòu)型分別進行CFD模擬,初始條件及邊界條件設置參見表5。截面上的壓力分布、速度分布對比如圖21、圖22所示?？梢钥闯?3種構(gòu)型中,花瓣型結(jié)構(gòu)壓力和速度分布較為均勻,孔道利用率較高,有利于避免氣泡集中于外層孔道發(fā)生聚并,改善氣泡粒徑分布,使氣泡分散更加均勻、穩(wěn)定;原19通道結(jié)構(gòu)膜管氣體滲透速率最高,其次為中空型結(jié)構(gòu),這有利于增大處理通量;而中空型結(jié)構(gòu)最為節(jié)省材料,從而節(jié)約生產(chǎn)成本。

圖21 不同構(gòu)型膜管截面上的壓力分布

圖22 不同構(gòu)型膜管截面上的速度分布

進一步分析三者整體平均氣含率,結(jié)果如表6所示,中空型結(jié)構(gòu)氣含率最高,為2.3%,其次為花瓣型的2.1%,綜合以上結(jié)果,3種孔道結(jié)構(gòu)在氣含率、滲透通量和節(jié)省成本等方面各有利弊,需視實際需求具體分析和選擇。

表6 不同構(gòu)型陶瓷膜管平均氣含率

3 結(jié)論

a) 對于目前已商品化的典型陶瓷膜管構(gòu)型,高通量下應優(yōu)選孔徑200～500 nm,通道數(shù)目19～37;工程應用中可根據(jù)可接受的跨膜壓差值選定最高通氣量,本實驗范圍下最高氣量為5 L/min,壓降可保持在0.4 MPa左右。

b) 氣體流量越低,液體流量越高,氣液比越小,氣泡尺寸越小。在通氣量5 L/min時,氣液比可優(yōu)選1,更高的液體流量對減小氣泡尺寸的作用不大。

c) 氣含率主要受到氣體流量和氣泡尺寸的影響,氣泡直徑越小,氣體流量越大,氣含率越高。

d) 液相的表面張力和黏度會顯著影響氣泡的尺寸。隨表面張力降低,氣泡尺寸顯著減小,氣含率隨之大幅升高;隨黏度增大,氣泡尺寸變大,氣含率呈現(xiàn)先增后減的趨勢,實驗中可調(diào)控氣泡尺寸范圍300 μm～3 mm。

e) 19通道陶瓷膜管最外層12孔道對氣體滲流的貢獻最大,中間孔對滲流幾乎沒有作用?；贑FD模擬改進設計的花瓣型結(jié)構(gòu)可提高孔道利用率和改善氣泡聚并,中空型結(jié)構(gòu)可有效提高氣含率和節(jié)約成本,19通道型結(jié)構(gòu)則在滲透效率和處理通量中表現(xiàn)較優(yōu),實際選型需視具體工況和需求而定。

總之,盡管氣泡越小,氣液相界面積越大,越有利于傳質(zhì)和反應強化,但同時意味著破碎氣泡的能量消耗也越大,機械設備的造價越高,所以在實際生產(chǎn)過程中需要綜合考量產(chǎn)能和經(jīng)濟性。此外,膜分散法中微氣泡的形成機制較為復雜,目前尚不清晰,仍需更深層次的探索和研究。