纳米流体强化气液传质研究进展

简要阐述了气相沉积法、共混法和分散法3种纳米流体的制备方法以及物理法、化学法两种纳米流体的分散技术。重点综述了纳米流体强化气液传质过程以及强化机理方面的最新研究成果。分析给出了纳米流体强化气液传质的几点原因：掠过效应、抑制气泡聚并机理、边界层混合机理、渗透机理以及多个影响因素相互关联作用。并预测出可能成为研究热点并有助于统一的强化理论表述提出的4个研究方向：影响纳米颗粒强化气液传质的各种因素相互耦合作用;纳米流体对氨、CO2、CO、O2和水蒸气以外的其它气体的物理化学吸收,进一步提出纳米颗粒强化气液传质普适性模型;搜集纳米颗粒影响气液界面附近的浓度分布;速度分布的微观信息以及纳米颗粒与气液界面相互作用的研究。     

运动颗粒对传质过程影响的格子Boltzmann模拟

颗粒的主动运动对传质过程有重要影响。以表面恒浓度的二维球形颗粒为研究对象,采用耦合传质的格子Boltzmann方法(LBM)模拟了颗粒在自旋和振动两种情况下的相间传质过程。选择浸入运动边界法和非平衡态外推法处理运动颗粒边界,研究了颗粒自旋速度、颗粒振幅及振动频率对传质过程的影响。结果表明,中等雷诺数的自旋颗粒绕流中,随着颗粒自旋转速增大,颗粒的传质舍尔伍德数反而降低,表明在强制对流的情况下,颗粒自旋减弱颗粒的传质效果。当颗粒振动时,颗粒振幅越大,传质舍尔伍德数增大;当颗粒振动频率造成锁定现象时,颗粒流体相间传质效果显著增强。本工作的数值结果不仅表明格子Boltzmann方法可以有效模拟强制对流传质的过程,也为强化传质提供了一种思路。     

纳米流体液滴在水平加热面上的变形行为特性

采用格子Boltzmann力矩模型模拟了纳米流体液滴在水平加热面上的变形过程,结果表明纳米流体液滴的变形经历了销联、解销阶段,并且由于纳米颗粒的强销联作用,在蒸发的后期可以明显看出环形沉积,这是在考虑布朗运动、粒子间相互作用等作用力后由于纳米颗粒的强销栓作用而表现出的纳米流体的独有性质。模拟结果与文献中的实验结果作了对比,表现出良好的一致性,表明格子Boltzmann方法可以成功模拟纳米流体液滴在水平加热表面蒸发过程中的变形特点。     

纯CO2体系扩散性质的分子动力学模拟

使用基于COMPASS力场的分子动力学（MD）模拟方法计算了CO2在气相、液相以及超临界区的自扩散系数。计算结果表明温度对扩散系数的影响在密度较低时比较明显,随着密度的升高温度的影响逐渐减弱;密度较高时密度的影响对扩散系数起主导作用。通过研究温度和密度对扩散系数的影响规律,提出了预测CO2自扩散系数的新方程,该方程与模拟值和文献试验值吻合良好。     

CO2在纳米流体解吸过程中的微对流现象

建立了一套水平气液界面传质模拟装置,利用粒子成像测速仪（PIV）对CO2从乙醇和乙醇纳米流体中解吸过程液相流场进行了观测和分析。传质发生时,在近界面处均观察到了由Marangoni效应造成的湍动。通过对平均速度的分析,发现在乙醇纳米流体中发生的湍动强度和湍动范围较乙醇溶液中大。纳米流体中的Marangoni效应加剧了纳米粒子的布朗运动,引发了纳米流体中的微对流,从而将界面处的湍动传递至液相主体中,导致液相主体的漩涡增多、流体混合加剧,促进了气液传质。     

常用夹带剂在超临界CO2中无限稀释扩散系数的MD计算

缺乏物性数据是制约超临界流体(SCF)技术在化工领域广泛应用的瓶颈问题之一.基于Einstein理论,使用分子动力学(MD)技术计算了三种常用夹带剂丙酮、乙酸乙酯和环己烷在超临界CO2中的无限稀释扩散系数,并针对Einstein法测定扩散系数的误差因素提出了一种数据处理的新方法.最后采用Taylor分散法和超临界色谱技术对夹带剂丙酮和乙酸乙酯在超临界CO2中的扩散系数进行了实验验证,结果表明使用新的数据处理法方法得到的扩散系数和实验测定结果吻合良好.     

纳米流体强化微尺度换热的研究进展

综述了纳米流体强化微尺度换热的研究进展。总结了近几年纳米流体应用于微尺度换热器中的实验研究。从两方面对纳米流体强化微尺度换热的机理进行了分析:纳米颗粒本身对换热特性的强化;纳米颗粒改变换热表面特性对换热的强化。介绍了纳米流体强化微尺度换热的数值模拟研究。指出了当前研究中存在的问题和不足,并对今后的研究工作进行了展望。     

单个圆形非均匀多孔颗粒绕流的数值模拟

多孔颗粒两相流在工业过程中普遍存在,但多孔颗粒的内部结构几乎都是不均匀的,这可能影响颗粒与流体间的相互作用。采用基于本征相平均速度的体积平均宏观控制方程描述多孔颗粒内部和外部的流体流动,采用改进的格子Boltzmann方法(LBM)求解广义的宏观控制方程,并对二维流体流过非均匀多孔颗粒进行了数值模拟研究。通过随机分布难以渗透区域调节多孔颗粒内部的非均匀结构,分析颗粒内部非均匀结构对颗粒受力及其内外部流场演化的影响。结果表明,相对于内部结构均匀的多孔颗粒,颗粒的非均匀结构能够导致颗粒的升力和内部纵向传质的产生,升力和传质强度均随难以渗透区域含量wm增加而增加,随达西数(Da)增加呈先增加后减小的趋势。难以渗透区域的存在还导致颗粒后方尾涡在较低雷诺数(Re)下不再对称分布,且尾涡脱落的临界Re数降至约38,增强了流场的扰动强度。颗粒内部非均匀结构对颗粒受力和流场演化均有重要影响。     

非牛顿流体中气泡群传质的研究

CO2气泡群在液相中的传质在化工过程中广泛存在.对CO2气泡群在3种不同流体(牛顿流体、非弹性剪切变稀流体和黏弹性剪切变稀流体)中的气液传质过程进行了研究.利用CO2探针测定了不同操作条件下CO2的体积传质系数,考察了液相浓度,气体流量以及流变性质对体积传质系数的影响.结果表明:在3种流体中,体积传质系数均随气体流量的...     

超临界二氧化碳萃取亚麻籽油的研究

采用半连续流程 ,以亚麻籽为原料、超临界CO2 为溶剂萃取亚麻籽油。通过对不同操作压力、温度、时间、CO2 流量条件下萃取曲线平衡段的直线拟和得到亚麻籽油在超临界CO2 中的溶解度 ,并回归了Chrastil方程的参数 ,得到计算亚麻籽油在超临界CO2 中的溶解度的方程。将萃取过程考虑为CO2 通过亚麻籽固定床的模型 ,由Stastova提出的传质方程对不同压力、温度、CO2 流量下的萃取过程进行模拟 ,并分析了传质系数在不同操作条件下的变化     

Validation of Simulation and Mass Transfer Coefficient Prediction with Interfacial Convection

Investigation of interfacial mass transfer by means of numerical simulation is a promising field. In the present work, the Rayleigh convection of the CO₂‐ethanol absorption process was simulated using a random‐disturbance model based on the lattice Boltzmann method and the results were compared with the Schlieren observation for validation. It was found that the simulation method was superior for capturing the characteristics of the absorption process. A correlation was then proposed to predict the mass transfer coefficient based on Reynolds mass flux, scalar fluctuation variance, and its dissipation rate, and the correlation was found to be superior to existing methods in terms of phase difference. In this correlation, the mass transfer coefficient was linked with computational mass transfer for the first time.     

气液液三相体系中的气液传质特征

选取CO2-K2CO3/KHCO3为吸收体系,次氯酸钠为催化剂,甲苯、异戊醇为第2液相,应用Danckwerts图来同时确定液侧传质系数KL和界面面积a,通过实验研究了分散第2液相的加入对气液传质的影响。实验结果表明,随着分散相体积分数φ(1%—10%)的增大,或分散相形成的液滴直径的减小,以及传质组分在分散相和连续相中溶解度的比值m(即传质组分在实验体系的分配系数)增加,或在二相间的相对扩散系数增加时,可显著增强气液传质,为气液液三相体系的系统化研究提供了实验依据。     

The Effect of Type and Concentration of Nano-Particles on the Mass Transfer Coefficients: Experimental and Sherwood Number Correlating

Developments in the area of nano-fluids are ongoing specifically in the area of liquid-liquid extractions in different industries. In the present study, mass transfer coefficients have been obtained experimentally in a spray extraction column in the presence of different nano-particles to develop a new correlation for the prediction of the dispersed phase Sherwood number. The results have shown that the proposed correlation can estimate the experimental drop Sherwood number with high accuracy. Also, the conceptual effect of nano-particle hydrophobicity/hydrophilicity is quantified in correlation without which the experimental data could not be fitted with an acceptable accuracy.     

色谱法测定葡萄糖果糖在制备柱上的传质和扩散系数

色谱模型对研究色谱分离过程中的传质动力学具有重要的意义。根据物料守恒原理,结合传质扩散模型推导色谱分离连续方程。假设吸附过程相平衡是线性,连续性方程推导出理论板数与流速和色谱模型参数有关。在多组不同流速条件下测定色谱柱参数,计算得到两组分的传质系数和扩散系数。分别用测定模型参数模拟脉冲实验,结果表明拟合较好。     

燃煤烟气中SO2对氨法脱碳的影响

利用湿壁塔实验台对燃煤烟气中SO₂对氨水溶液［1%～7%(质量）］吸收CO₂的影响进行了实验研究,具体分析了不同反应温度（20～80℃）和CO₂体积分数（5%～20%）条件下,CO₂传质通量及传质系数随SO₂浓度和SO₂负载量的变化规律。结果表明, SO₂浓度由0增至11428 mg·m^-3,CO₂传质通量及传质系数均有一半左右降幅,而SO₂负载量［0.1～0.4 mol SO₂·（mol NH₃）^-1］的增加,同样导致CO₂传质通量及传质系数明显减小。氨水浓度及反应温度增加可有效提高CO₂传质通量和传质系数,相对降低SO₂对CO₂传质的影响。CO₂浓度的增加可明显提高其传质通量,但是CO₂的传质系数有所降低。     

快速变压吸附制氧动态传质系数模拟分析

研究快速变压吸附制氧过程中的传质过程,结合实验数据对全局动态传质系数与常数传质系数进行对比模拟分析,并考察各传质阻力对传质效果的影响。结果表明：基于轴向、膜扩散和孔扩散估算的动态传质系数是有效的。膜阻力是主要阻力,其次是轴向扩散阻力,大孔扩散阻力较小,微孔扩散阻力可忽略。在快速变压吸附中,由于气速和温度变化较快,传质系数也会有较大变化,总体趋势是传质系数随着温度和气速的升高而升高。采用恒定传质系数无法准确描述吸附塔内各个时间点、空间点上的传质行为,根据各节点状态计算出的动态估算传质系数能够与吸附塔内的行为有较好的吻合度,模型具有较高的可信性。     

Analysis of the integro-differential equation of constant-rate particle transfer

Some conclusions from the integro-differential equation of constant-rate particle transfer were considered. In a sense, this equation is a microscopic kinetic equation for the phenomenological macroscopic equations of heat transfer, diffusion, and other transfer processes. It was shown that, in the limiting case, the above integro-differential equation can be reduced to these macroscopic equations. Formulas were derived for calculating the thermal conductivity and the diffusion coefficient as tensor quantities. With the use of the concepts of Galerkin’s method, the hyperbolic differential equations of heat and mass transfer were obtained.     

人工肝生物反应器中溶解氧浓度动态分布的模型与数值分析

研究了人工肝生物反应器的结构特点,并在对反应器内部液体流动与气液传质规律进行分析的基础上,结合反应器的实际需要,建立了基于一维轴向扩散模型的人工肝专用生物反应器溶解氧浓度动态分布的数学机理模型. 利用有限差分方法对模型离散化求解,得到了流动速度、氧传质系数及细胞耗氧速率对反应器内部溶解氧浓度分布的影响规律. 通过对模型数值解的分析得到了特定条件下反应器内的优化参数为液体流速0.55 mm/s,传质系数0.31 s-1,扩散系数0.02 mm2/s. 最后,通过仿真数据与实测实验的对比验证了该模型的正确性,其平均误差在±5%以内. 本模型的建立在理论上验证了该专用生物反应器可以提供稳定且均匀的溶解氧浓度分布,同时也为下一代新型反应器的优化设计提供了参考数据和理论依据.     

Investigation of mass transfer model of CO2 absorption with Rayleigh convection using multi-relaxation time lattice Boltzmann method

CO₂ absorption into absorbents is a widely used method to reduce carbon emissions, in which the concentration gradient near the gas-liquid interface may induce Rayleigh convection (RC). Once RC occurs, the mass transfer rate will be significantly enhanced. Therefore, it is necessary to explore the mass transfer enhancement mechanism further and develop a penetration/surface divergence hybrid mass transfer model. In this study, we conduct research on the process of CO₂ absorption into ethanol with RC. Firstly, we use a multi-relaxation time lattice Boltzmann method to simulate the absorption process and obtain the flow and concentration fields. And we also verify the reliability of the numerical simulation results by comparing with the experimental results. Then, we analyze the characteristics of non-uniform flow and concentration fields in RC. Moreover, we divide the near-interface region into diffusion-dominated and convection-dominated mass transfer zones by checking whether the horizontal average velocity is greater than 1.0×10^-4 m·s^-1. Furthermore, based on the differences in mass transfer mechanisms of the aforementioned two zones, we propose a penetration/surface divergence hybrid model to predict the instantaneous mass transfer coefficient. The prediction results demonstrate that the hybrid model can precisely predict the instantaneous mass transfer coefficient of the entire CO₂ absorption process. Our proposed hybrid model provides a promising way to deal with the complex mass transfer problems with non-uniform flow and concentration fields.