氣相中乙醇對(duì)水吸收CO2過程界面對(duì)流的影響

胡偉超，賈學(xué)五，袁希鋼

（天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

界面對(duì)流現(xiàn)象對(duì)相際傳質(zhì)及多相流動(dòng)過程會(huì)產(chǎn)生顯著影響。Marangoni效應(yīng)是在傳質(zhì)過程中由表面張力差引發(fā)的一種界面流動(dòng)現(xiàn)象，會(huì)導(dǎo)致近界面流體的流動(dòng)，即界面對(duì)流，進(jìn)而對(duì)傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響［1-3］。如何通過界面張力變化引發(fā) Marangoni現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)化傳質(zhì)過程則成為了重要的研究課題。Okhotsimskii［4］利用紋影技術(shù)對(duì)靜態(tài)池中不同氣液體系產(chǎn)生的對(duì)流形態(tài)和界面擾動(dòng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)觀察。Sun和 Yu［5］通過有機(jī)溶劑吸收和解吸CO2的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)了氣液傳質(zhì)系統(tǒng)中Marangoni對(duì)流產(chǎn)生的有序結(jié)構(gòu)。陳煒［6］采用微觀粒子成像測(cè)速儀（Micro PIV）對(duì)液滴組成變化引起的Marangoni效應(yīng)進(jìn)行了觀察，分析了液滴形狀和組成的改變對(duì)其內(nèi)部對(duì)流的影響。然而，上述研究主要是通過傳質(zhì)過程本身導(dǎo)致的界面張力變化來考慮界面對(duì)流對(duì)傳質(zhì)過程的強(qiáng)化，因而會(huì)受到物系的限制。本研究提出在水吸收二氧化碳過程中通過主動(dòng)向氣相中加入低表面張力的第三組分，以改變液體表面局部界面張力，通過調(diào)節(jié)第三組分的濃度實(shí)現(xiàn)引發(fā)界面對(duì)流。本研究采用乙醇作為第三組分，利用粒子成像測(cè)速儀（PIV）測(cè)得垂直于界面的液相流場(chǎng)速度矢量信息，并定量分析了氣相中乙醇的加入對(duì)氣液傳質(zhì)過程界面對(duì)流的影響。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)試劑和儀器

試劑：無水乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%，天津光復(fù)科技有限公司）；高純水（電導(dǎo)率小于0.3μS/cm，天津綠源水廠）；氣體 CO2和 N2（體積分?jǐn)?shù)均為99.99%）。

儀器：PIV測(cè)量系統(tǒng)（德國(guó)LaVision公司生產(chǎn)）；氣相色譜儀（型號(hào)為 7890A，美國(guó)安捷倫公司生產(chǎn)）；WZ-50C6微量注射泵。

1.2 氣液傳質(zhì)過程中界面對(duì)流測(cè)量系統(tǒng)

測(cè)量水-CO2體系吸收過程中氣液界面對(duì)流的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，主要由PIV測(cè)量系統(tǒng)［7-8］和氣液傳質(zhì)系統(tǒng)組成。PIV測(cè)量系統(tǒng)主要由北京鐳寶光電公司生產(chǎn)的雙脈沖 Nd-YAG激光系統(tǒng)，LaVision公司生產(chǎn)的CCD相機(jī)和圖像處理軟件組成。Nd-YAG激光系統(tǒng)的輸出波長(zhǎng)為532nm，激光脈沖寬度10～15 ns，最大脈沖能量200 m J，雙脈沖時(shí)間間隔1～98000μs，激光脈沖頻率 0～10 Hz。CCD相機(jī)用于采集流場(chǎng)中粒子圖像，其分辨率為1376×1040，并配有波長(zhǎng)為532nm的濾光片以消除雜光的影響。實(shí)驗(yàn)中采用直徑為8～10μm的中空玻璃微球作為示蹤粒子，其密度約為1000 kg/m3，在水中具有很好的跟隨性。

圖1所示的氣液傳質(zhì)系統(tǒng)中的透明光學(xué)傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)盒由有機(jī)玻璃制作，其內(nèi)部尺寸為100mm×50mm×5mm（長(zhǎng)×高×寬），實(shí)驗(yàn)時(shí)加入的液體高度大約為40mm，氣體在靜止的液體上方水平通過并與液體接觸。實(shí)驗(yàn)中傳質(zhì)盒內(nèi)的液體采用微量注射泵加入，流量控制在40～60 mL/h，以避免加液過程造成液體的流動(dòng)。由于傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)盒在z方向上的厚度僅為5mm，可認(rèn)為對(duì)流被限制為二維，故可通過二維測(cè)量很好地獲得對(duì)流的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 PIV測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus for PIV measurement

所有的實(shí)驗(yàn)均在溫度25℃、常壓下進(jìn)行。在氣液傳質(zhì)過程界面對(duì)流測(cè)量實(shí)驗(yàn)開始之前，需要做空白實(shí)驗(yàn)，即使用N2作為氣相，在不同的流量下通過液體表面。若液層沒有大的波動(dòng)，也沒有對(duì)流漩渦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并且整個(gè)流場(chǎng)的速度都很小，便可以認(rèn)為排除了氣體吹掃對(duì)液體流場(chǎng)的影響，相應(yīng)的氣體流量可以作為實(shí)驗(yàn)中采用的適宜流量。

1.3 氣相中乙醇的加入及定量方法

乙醇為易揮發(fā)物質(zhì)，若將圖1中儲(chǔ)罐內(nèi)的純水換為乙醇或乙醇水溶液，氣體二氧化碳通過儲(chǔ)罐后就會(huì)攜帶部分乙醇蒸汽出來，這樣就達(dá)到了向氣相中加入乙醇的目的，并且還可以通過改變乙醇溶液的濃度控制氣相中乙醇加入量的多少。由于實(shí)驗(yàn)條件下水的飽和蒸汽壓要比乙醇小得多，所以CO2通過乙醇溶液時(shí)混入到氣相中水蒸氣的量很小，并且吸收劑同樣為水，因此水蒸氣的影響相對(duì)于乙醇帶來的影響是可以忽略的。

采用氣相色譜對(duì)從儲(chǔ)罐出來的CO2和乙醇的混合物進(jìn)行分析，并使用外標(biāo)法計(jì)算得到氣相中乙醇的濃度。

2 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)過程中所用的水-CO2體系及乙醇的物性參數(shù)在表1中列出。

表1 水-CO 2體系和乙醇在T=298.2 K、p=1.013×105 Pa下的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of water-CO 2 system and ethanol at T=298.2 K and p=1.013×105 Pa

其中，ρw與 ρeth分別為純水和乙醇的密度；σw與σeth分別為純水與乙醇的表面張力；DL為CO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)；μw為水的動(dòng)力學(xué)黏度。為了進(jìn)行對(duì)比，分別采用如表2給出的4種氣體條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。其中1為空白實(shí)驗(yàn)，即僅有氣體的流動(dòng)，不發(fā)生氣液傳質(zhì)；2為 CO2在水中吸收實(shí)驗(yàn)，氣相不加入乙醇；3和4分別是氣體中具有不同濃度CO2的吸收實(shí)驗(yàn)。為了消除氣體流速的影響，實(shí)驗(yàn)中氣體流量均為80 mL/min。

表2 不同條件下的實(shí)驗(yàn)對(duì)比Table 2 Comparison of experimen ts under different conditions

2.1 流場(chǎng)平均速度的分析

為了測(cè)量實(shí)驗(yàn)盒內(nèi)傳質(zhì)過程中的界面對(duì)流，首先測(cè)量了全流場(chǎng)的平均速度隨時(shí)間的變化以及瞬時(shí)平均速度分布。

由于PIV系統(tǒng)測(cè)量分辨力的限制，全流場(chǎng)的平均速度會(huì)出現(xiàn)一定的隨機(jī)波動(dòng)。為了方便地觀察和比較平均速度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)，本研究采用20點(diǎn)移動(dòng)平均方法將原始數(shù)據(jù)平滑處理。平滑后的曲線可正確地反映實(shí)驗(yàn)測(cè)量的全流場(chǎng)平均速度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)［13］。圖2所示即為通過 PIV測(cè)量系統(tǒng)得到的全流場(chǎng)平均速度隨時(shí)間變化的趨勢(shì)圖。

圖2 全流場(chǎng)平均速度隨時(shí)間變化圖Fig.2 Evolution of spatially averaged velocity versus time

首先在空白實(shí)驗(yàn)中，液體平均流速較小，且不隨時(shí)間變化。在 CO2吸收實(shí)驗(yàn)中，由于傳質(zhì)的作用，液體產(chǎn)生對(duì)流，且平均流速隨時(shí)間增加，這主要是CO2在液體中擴(kuò)散所導(dǎo)致的。當(dāng)氣相中加入乙醇后，氣體和液體接觸后 CO2與乙醇均會(huì)被水吸收，乙醇在水中的溶解度比 CO2要大，所以乙醇更容易被水吸收。被吸收的乙醇在氣液界面處分布不均勻，使得乙醇存在處的表面張力下降，進(jìn)而在液體表面形成了界面張力差，這種界面張力的不均勻破壞了界面力的平衡，界面張力高的區(qū)域液體趨于收縮，這一區(qū)域液體受到擠壓而轉(zhuǎn)向液相主體，從而引發(fā)局部的對(duì)流，即局部的 Marangoni現(xiàn)象。隨著乙醇擴(kuò)散和張力梯度的持續(xù)存在，這種對(duì)流還會(huì)向液相主體發(fā)展，從而表現(xiàn)出整個(gè)流場(chǎng)速度都會(huì)增大的效果。隨著氣相中乙醇濃度的增大，表面張力梯度產(chǎn)生的效果會(huì)更明顯，流場(chǎng)平均速度也會(huì)相應(yīng)地增加。

從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在氣液傳質(zhì)過程的初始階段，氣相中加入乙醇后速度要比不加乙醇時(shí)增加得快，這是由于不加乙醇時(shí)CO2在開始階段主要以擴(kuò)散的形式向液相傳遞。而乙醇的存在則會(huì)引發(fā)Marangoni對(duì)流，增大液相表面更新速率，繼而增強(qiáng)氣液傳質(zhì)推動(dòng)力，增加了 CO2在液相中的對(duì)流傳遞。

圖3為120 s時(shí)4種實(shí)驗(yàn)中液體流場(chǎng)的速度矢量分布圖與對(duì)應(yīng)的流線圖。

從圖3可以看出，氣相中加入乙醇后會(huì)有更多的對(duì)流漩渦出現(xiàn)，流場(chǎng)速度也會(huì)增大，且乙醇濃度越大這種現(xiàn)象也就更明顯。

通過對(duì)液相流場(chǎng)不同高度的水平截面內(nèi)速度取算術(shù)平均值，可以得到流場(chǎng)瞬時(shí)平均速度沿垂直于界面方向的分布，如圖4所示，坐標(biāo)原點(diǎn)表示界面所在位置。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，氣相中不加乙醇時(shí)較大的流場(chǎng)速度出現(xiàn)在液相主體內(nèi)，而氣相中加入乙醇后，液相流場(chǎng)中距離界面大約10mm范圍內(nèi)不同位置的流場(chǎng)平均速度要明顯大于液相主體中的速度，說明表面張力梯度引起的局部Marangoni效應(yīng)導(dǎo)致的對(duì)流漩渦主要分布在界面附近的區(qū)域。這是實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到的加入第3組分引發(fā)局部Marangoni效應(yīng)的速度分布主要特征。

圖3 120 s時(shí)流場(chǎng)的速度矢量分布圖和流線圖Fig.3 Vectorial velocity distributions and streamline of flow field at 120 s

圖4 120 s時(shí)平均速度沿垂直于界面方向的分布Fig.4 Distributions of average velocity along the vertical direction of the interface at 120 s

2.2 流場(chǎng)湍動(dòng)能的分析

為了全面地反映氣液傳質(zhì)過程中局部Marangoni對(duì)流的特征，本研究借用湍動(dòng)能理論來說明流場(chǎng)速度變化的劇烈程度和對(duì)流現(xiàn)象的特征［14］。本研究以平均瞬時(shí)速度相對(duì)于時(shí)均速度的標(biāo)準(zhǔn)差作為一種擬脈動(dòng)速度，以類比湍流中的脈動(dòng)速度，進(jìn)而對(duì)液體由于局部Marangoni效應(yīng)引發(fā)的對(duì)流對(duì)應(yīng)的動(dòng)能進(jìn)行估算。這一標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

其中ui和vi分別為某一個(gè)高度水平截面上x和y方向在時(shí)刻i的平均速度，ˉu和ˉv分別為該截面在兩個(gè)方向上從第40 s開始10 s內(nèi)的時(shí)均流速。與對(duì)流相對(duì)應(yīng)的湍動(dòng)能則可以表示為

通過對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了流場(chǎng)內(nèi)湍動(dòng)能在垂直于氣液界面方向上的分布，如圖5所示。

圖5 湍動(dòng)能沿垂直于界面方向的分布Fig.5 Distributions of turbulent kinetic energy along the vertical direction of the interface

從圖5可以看出氣相中加入乙醇后流場(chǎng)內(nèi)各處的湍動(dòng)能比氣相中不加乙醇時(shí)的湍動(dòng)能要大，且湍動(dòng)能隨乙醇添加量增加而有所增大。氣相中不加乙醇時(shí)較大的湍動(dòng)能分布在遠(yuǎn)離界面的區(qū)域，說明液相主體處流動(dòng)變化比界面處劇烈。而氣相中加入乙醇后的氣液傳質(zhì)過程中，近界面處的湍動(dòng)能明顯增大，界面附近Marangoni對(duì)流形成的漩渦較多。同時(shí)，Marangoni效應(yīng)還會(huì)向液相主體滲透，加劇流體流動(dòng)，湍流特性增強(qiáng)。

3 結(jié)論

氣相中乙醇的加入對(duì)水-CO2體系氣液傳質(zhì)過程液相流場(chǎng)產(chǎn)生了重要影響，乙醇加入后測(cè)得的液相流場(chǎng)平均速度和湍動(dòng)能整體上比不加乙醇時(shí)要大。同時(shí)，由于氣相中乙醇的存在，引發(fā)了界面對(duì)流，使得近界面處的速度和湍動(dòng)能明顯大于不加乙醇時(shí)的速度和湍動(dòng)能，界面湍動(dòng)劇烈程度增大，促進(jìn)了氣液傳質(zhì)。

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