吸收过程的界面非平衡传质机理

针对气体吸收过程,以分子热力学为基础,结合普遍化的化学势推动力通量方程,导出了传质存在时两相界面处的浓度关系,并针对不同情况进行了求解.提出了一个反映液相侧动力学状况的无因次数群Biot数Yo,Yo数越大界面处两相越偏离平衡.界面浓度是与Yo和液相主体浓度密切相关的.对于气相阻力可以忽略的吸收过程,两相传质速率的大小主要取决于液相的溶质界面浓度和液膜厚度.采用激光显微全息干涉技术对甲醇,乙醇,正丙醇静止吸收CO2时的界面浓度进行了测定,试验结果表明了本研究模型的正确性.     

气-液两相降膜流动及传质过程的CFD研究

利用VOF法建立了考虑表面张力动量源项、气液相间摩擦力动量源项以及相问传质源项的CFD计算模型,定量描述了气．液两相逆流降膜传质过程。根据CFD模型,计算了不同液相进口浓度和不同气相流量条件下,异丙醇稀溶液的解吸过程,模拟得到的液相出口浓度与实验数据吻合很好。相界面处的浓度分布表明。随自由表面波动,界面浓度会发生剧烈脉动。液相总传质系数增强因子R的实验值与CFD模拟均表明,即使在很小的传质推动力下R也大于1。由于CFD模型不考虑Rayleigh-Benard-Maragoni效应,则这种现象,可解释为界面波动对传质增强的结果。这也证明增强界面波动是一种强化传质分离过程的有效途径。     

液液界面传质过程的激光干涉法研究

为了研究液液传质过程的界面现象及传质特征,采用实时激光全息干涉技术,根据不同初始浓度时乙醇通过油水界面传质过程的全息干涉图,得到了传质过程水相侧的浓度分布,据此求出了近界面浓度和基于浓度的传质系数,并关联了近界面浓度与主体相溶质浓度的关系。建立了界面能随溶质浓度改变的函数关系,计算结果与实验值吻合良好。研究结果表明,液液静止界面传质过程基本符合双膜理论,溶质的加入能改变界面性能,传质过程界面处于非平衡状态。     

单乙醇胺水溶液化学吸收CO_2的研究

有机胺水溶液化学吸收CO2在工业上广泛应用,对其传质过程的微观机理进行研究十分必要。文中以对流扩散方程为基础,考虑了界面阻力对传质的影响,建立了带有化学反应的气液吸收过程液相侧非稳态传质模型,得到了传质系数表达式。利用激光全息干涉仪对不同液相主体流速下单乙醇胺(MEA)水溶液化学吸收CO2过程进行了实验研究,测定了传质达到稳态时的液相侧近界面浓度、浓度边界层厚度和传质系数。结果表明:随着液相主体流速的增加,近界面浓度和浓度边界层厚度减小,而传质系数增大;MEA在水溶液中的质量分数由0.1%增大到0.2%时,CO2吸收过程达到稳态时的近界面浓度、浓度边界层厚度及传质系数均增大。传质系数模型计算值与实验值吻合良好。     

超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

气液界面传质机理

提出了气液相际传质的推动力来源于界面不平衡的概念.针对气体吸收过程, 以普遍化的化学势推动力方程为基础, 导出了在有传质通量存在下的两相界面处的浓度关系,并针对不同情况进行了求解.提出了一个反映液相侧动力学状况的量纲1数Yo ,Yo越大界面处两相越偏离平衡.界面浓度是与Yo和液相主体浓度密切相关的.为验证本文模型, 作者采用显微激光全息干涉技术对甲醇、乙醇、正丙醇静止吸收CO₂时的界面浓度进行了测定, 实验结果表明了本文模型的正确性.     

基于浓度/速度场测量的吸收过程液相传质系数

针对矩形流道内气、液流体的并流吸收传质过程,分别应用实时激光全息干涉术和激光多普勒速度仪对不同气、液流速下液相内近界面浓度分布与速度分布进行了实验观测.结果表明,边界层内浓度分布呈指数下降,流速越大梯度越陡,且速度边界层厚度要大于浓度边界层厚度.建立了通过物料衡算求算液相传质系数的方法.得到了不同条件下平均液相传质系数,并与Whiteman’s双膜理论的计算结果进行了比较.     

界面传质中Rayleigh对流的定量分析

通过纹影光路观察了特定气液传质装置中乙醇吸收CO₂过程所引发的Rayleigh对流在垂直界面方向上的发展过程。随着溶质吸收的进行,液层的流体稳定性变弱,扰动加剧气液界面失稳并发生湍动,进而发展为羽状流并逐步向液相主体发展,在此过程中伴随着对流胞的融合与增长。液层的浓度分布可通过对相应液层纹影图像进行定量分析获得。液层浓度分布和瞬时传质系数变化表征了Rayleigh对流的引发与发展及其对传质过程的强化效果,界面浓度分布及临界Rayleigh数解释了非均匀传质对湍动的引发机理。羽状流将高浓度液体快速带入主体,加速了近界面液层与主体液层的混合,增强了气液传质。     

界面传质中Rayleigh对流的定量分析

通过纹影光路观察了特定气液传质装置中乙醇吸收CO2过程所引发的Rayleigh对流在垂直界面方向上的发展过程。随着溶质吸收的进行,液层的流体稳定性变弱,扰动加剧气液界面失稳并发生湍动,进而发展为羽状流并逐步向液相主体发展,在此过程中伴随着对流胞的融合与增长。液层的浓度分布可通过对相应液层纹影图像进行定量分析获得。液层浓度分布和瞬时传质系数变化表征了Rayleigh对流的引发与发展及其对传质过程的强化效果,界面浓度分布及临界Rayleigh数解释了非均匀传质对湍动的引发机理。羽状流将高浓度液体快速带入主体,加速了近界面液层与主体液层的混合,增强了气液传质。     

改良型CO2湿壁塔内气液两相流动规律及传质特性

基于Fluent软件，采用层流模型、VOF模型及非稳态类型，模拟基准湿壁塔和改良型湿壁塔的气液两相流场，分析稳定液膜边界气液两相流场对传质过程的影响。结果表明，随液相入口流量的增大，在稳定液膜边界气相涡旋运动逐渐增强，气液两相混合程度加强，利于改良型湿壁塔的气液两相传质。在一定气相入口流量范围内，随气相入口流量的增大，液膜界面涡旋运动增强，气液两相混合程度加强，利于改良型湿壁塔的气液两相传质；气相入口流量不宜过大，否则导致液相不能沿湿壁柱向下流动形成稳定的液膜，不利于传质。改良型湿壁塔的变径结构和气体挡板均利于气液两相混合，利于传质。改良型湿壁塔的传质过程在液膜边界发生，随液相入口流量的增大液膜厚度增加，液膜表面积增大，有效传质面积增大，利于气液两相传质。通过对比基准湿壁塔和改良型湿壁塔的气液两相流场，改良型湿壁塔内气液两相混合程度加强，更利于传质。     

Region-dependent mass transfer behavior in a forced circulation airlift loop reactor

The contribution of local regions to global mass transfer holds the key to optimization and scale-up of a reactor. Extensive study has been conducted to investigate gas-liquid mass transfer occurring in the internal airlift loop reactor, but mostly restricted to global mass transfer performance. A cold model forced circulation internal airlift loop reactor was employed and divided into six regions in which dissolved oxygen concentration in slurry and mass transfer interfacial area were measured respectively. Different models were utilized to calculate volumetric mass transfer coefficient. Contributions of individual region to global mass transfer performance were calculated and compared. It was found that mass transfer coefficient and mass transfer interfacial area of individual region increases with increasing superficial gas velocity and slurry feed flowrate. The feed affected region has the greatest mass transfer coefficient and volumetric mass transfer coefficient, contributing more than 30% to global mass transfer in most operating condition. Mass transfer interfacial area is close in the gas distributor region, feed affected region and the gas-slurry separator region. In the present work, circulating bubbles are rare and contribute negligibly to the global mass transfer. Global volumetric mass transfer coefficient is close to that of the gas-slurry separator region, ranging from 0.02 to 0.1 1/s. Comparison of k_La is made between this work and literatures, suggesting a great improvement of mass transfer due to external liquid circulation.     

析湿工况下带亲水层开缝翅片管换热器空气侧传热传质特性

对7个带亲水层开缝型翅片管换热器在析湿工况下空气侧传热传质特性进行了实验研究，分析了翅片间距和入口相对湿度对空气侧传热传质特性的影响。结果表明，随着翅片间距的增加，空气侧的传热传质特性均逐渐减弱。入口相对湿度对空气侧的传热特性几乎没有影响。随着入口相对湿度的增加，空气侧的传质特性逐渐减弱。开发了反映空气侧传热特性的Colburn传热因子Jh和反映传质特性的Colburn传质因子Jm的关联式，所开发关联式在±15%误差范围内分别能涵盖96.6%和81.4%的实验数据，其平均误差分别为5.3%和8.5%。     

微通道内MEA/MDEA混合溶液吸收CO2的传质特性

研究了T形微通道内N-甲基二乙醇胺（MDEA）和单乙醇胺（MEA）混合水溶液吸收CO₂的传质过程。考察了弹状流型下气液两相流量、MEA和MDEA浓度对液侧传质系数k_L和体积传质系数k_La的影响。液侧传质系数和体积传质系数均会随着MEA浓度的升高而升高。与MEA相比,MDEA浓度的提高对传质影响较小。传质系数会随着液体流量的增大而增大,但气体流量的变化对其影响较小。体积传质系数随液体流量的增大而增大,但随气体流量的增大先增大,之后趋于稳定。考虑到化学反应对传质的强化作用,引入了Hatta数,提出了一个新的体积传质系数预测式,预测效果良好。     

强制气流作用下溶液蒸发过程的传质规律

针对强制气流作用下溶液的蒸发过程,在分析气液相间力学特性的基础上,根据Levich涡流衰减理论和边界层理论,将气流流动状态与相间传质结合,研究了湍流气流横掠液面过程中气液相间的传质变化规律,分析了雷诺数、气流流道结构及普朗特混合长度对传质的影响,得到了气液相间的湍流质扩散系数的变化规律,湍流气流横掠液面条件下的对流传质准则数Sh=0.221Sc1/3Rex1/2. 结果表明,湍流扩散系数、传质系数与气流的流动状态密切相关,气流流道结构对气液相间的传质有重要影响.     

毛细管中泰勒流液侧传质特性及其强化机理的CFD模拟

采用计算流体力学（CFD）的方法,研究了圆管中泰勒流的液侧传质特性,分析了泰勒气泡上局部传质特性,并研究了气泡上升速度、液膜长度和液栓长度对液膜处和气泡半球帽处平均传质系数的影响。结果表明,泰勒气泡表面局部传质系数存在3个峰值,液膜处的平均传质系数随气泡上升速度增大显著增大,随液膜长度增大而减小,而半球帽处的平均传质系数随气泡速度和液膜长度的增大变化较小,即膜接触时间增加时,液膜处的传质系数降低,而半球帽处传质系数变化较小。另外,引入场协同原则对单元胞内速度场和浓度场进行分析,解释了局部传质特性及强化机理。最后,给出了分别预测短和长膜接触时间下泰勒流液侧体积传质系数的关联式,该式在较宽的管径尺度范围（0.25～3 mm）内的预测误差在±20%以内。     

液-液微尺度混合体系的传质模型

针对微尺度液-液混合体系,考察了流量对膜分散萃取过程的影响,并根据传质过程方程,计算了各种条件下的传质系数和传质速率;采用现有的传质模型分别计算分散相和连续相的分传质系数,然后根据传质阻力的加合性得到总传质系数;应用理论传质系数计算传质效率,与实验值进行了比较.研究结果表明,在微尺度混合条件下,直接影响传质系数的因素是停留时间和液滴直径,传质系数随着停留时间的减小而增大.膜分散萃取的传质系数可以达到1.2×10^-4m•s^-1,比传统的萃取方式大10～100倍;不能像塔式萃取设备一样,用简单地忽略某一相的传质阻力或用总体平均的简化计算公式来计算微尺度混合的传质性能;考虑滴内滴外传质系数,并考虑时间的影响,利用现有公式分别计算滴内滴外传质系数,并采用阻力加合,可以较为准确地计算微混合条件下的总传质系数,计算值与实验值符合很好.     

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。     

A highly elevated mass transfer rate process for three-phase,liquid-continuous fluidized beds

Average gas holdup and gas-to-liquid mass transfer in three-phase fluidized beds with non-Newtonian fluids were studied. The effects of liquid property, gas distributor type and magnetic field intensity on mass transfer coefficient and overall gas holdup were examined. The volumetric gas-to-liquid mass transfer coefficient was determined by fitting the oxygen concentration profile data across the bed to the axial dispersion model. The average gas holdup and mass transfer coefficient were all correlated with operating parameters including gas velocity and effective viscosity.Experimental results showed that a three-fold increase in mass transfer coefficient and a two-fold increase in average gas holdup were observed with properly designed liquid property and gas distributor. A modified process was developed to highly elevate the volumetric gas-to-liquid mass transfer rate. The bubble coalescing property of three-phase fluidized beds with small particles is eliminated, and its application to biotechnology and enzyme-catalyzed processes with high gas-to-liquid mass transfer rate could be achieved.     

液体中气泡上浮与传质过程的耦合模型

针对液体中气泡上浮与传质这一非稳态、强耦合过程,分析气泡的受力情况,考虑到非恒定Basset力的影响,得出了气泡瞬态加速度模型;利用绕球流动传质边界层模型,并引入非平衡传质理论,构建了气泡的瞬态非平衡传质模型;进而依据气泡质量变化率将两模型耦合,以此构建了完整描述这一过程的耦合模型。计算实例表明,Basset力对难溶性气泡的运动过程无明显影响,但对易溶性气泡影响显著;传质条件则对两类气泡都具有重要影响,且该模型中引入非平衡传质理论后,计算值与难溶性气泡的实验结果吻合更好。     

Mass transfer area in a multi-stage high-speed disperser with split packing

In this study, the mean droplet diameter in the cavity zone and the total mass transfer area of a multi-stage highspeed disperser(HSD) reactor with different packing combinations were measured and evaluated. The effects of rotational speed and packing radius, as well as the packing ring radius and numbers, on the mean droplet diameter and the total mass transfer area were evaluated. A model was established to calculate the mass transfer area in the cavity zone in the HSD reactor, and it was found that the packings contribute 61%–82% of the total mass transfer area. A correlation for predicting the mass transfer area in the packing zone was regressed by the dimensionless analysis method. An enhancement factor based on the mass transfer area in the packing zone was proposed to evaluate the effect of packing combination on mass transfer area. Two optimum packing combinations were proposed in consideration of the mean droplet diameter and the enhancement factor.