双光路纹影仪观察气液传质界面湍动现象

建立了双光路纹影仪实验系统,并利用双光路纹影仪,同时从垂直和平行于界面两个方向对氯苯吸收、解吸CO₂的传质对流结构进行了观察,发现在氯苯吸收CO₂时,没有明显的对流结构,只是在垂直界面的纹影图像中观察到逐渐变粗的暗条纹。在氯苯解吸CO₂时,在垂直和平行于界面两个方向都观察到了明显的对流结构,在垂直界面的纹影图像中开始时出现分层现象,随着解吸的进行,对流加剧,分层现象被破坏;平行界面方向的对流结构发展较快,优先在平行界面的纹影图像中观察到明显的对流结构。由于传质的热效应,两个方向的对流结构都有向中心运动的趋势。实验表明,双光路纹影仪实验系统能观察界面传质对流过程的三维变化,可深化对界面传质对流过程的认识。     

双组分扩散过程界面湍动现象观察

利用激光纹影仪对静止、水平流动以及降膜流动的乙醇水溶液双组分扩散过程中传质导致的界面对流结构进行了观察,同时考察了温度、液层厚度、流体运动状态等因素对界面对流结构的影响.研究结果有助于寻求增进传质的有效途径,并且为传质界面湍动现象的理论分析提供实验依据.     

气液界面对流传质的观测与定量分析

采用光学纹影系统对乙醇和水双组分解吸传质过程的对流结构的界面湍动进行了定性观察和定量分析。建立了一套水平非稳态气液传质设备,试验观测了乙醇和水体系中液相组分向气相传质过程的Marangoni界面对流结构。还通过对传统纹影方法的改进,对乙醇解吸传质过程的浓度(本文用质量分数表示)梯度场进行了定量测量。定量分析表明乙醇和水系统解吸过程中,引发界面湍动的原因是局部较大的表面张力梯度。定量分析的结果很好的解释了伴随Marangoni效应的传质过程的混乱的对流结构,为进一步对界面湍动现象的分析提供了帮助。     

采用格子Boltzmann方法模拟解吸过程中的Rayleigh对流

应用二维非稳态格子Boltzmann方法研究了异丙醇-水溶液和丙酮-乙酸乙酯溶液解吸过程中Rayleigh对流的临界开始时间、流动特征及其对界面传质的影响,并与相关文献对比. 结果表明,临界开始时间随界面浓度增加呈先缓慢增大再迅速增大最后趋于稳定的变化趋势. Rayleigh对流结构经历了从有序到无序的发展过程,是不断更新的耗散结构. Rayleigh对流主要作用于液相主体,使液相主体具有较大的湍动速度(10-4~10-3 m/s). 液相主体中存在许多循环流动,促进了界面更新及界面与液相主体之间液体的交换与混合. 传质增强因子(介于2~6之间)表明Rayleigh对流能有效提高解吸过程传质速率,强化界面传质过程.     

气相中乙醇对水吸收CO_2过程界面对流的影响

考察了在气相中加入少量乙醇对水吸收CO2过程中液相界面对流的影响。采用粒子成像测速仪(PIV)测定了这一气体吸收过程中液体瞬时流场。通过对液体流场信息进行处理,得到了不同条件下速度和湍动能的数据及其分布;根据流场内速度和湍动能及其分布结构,定量分析了气相中加入乙醇对气液传质过程界面对流的影响,发现气相中乙醇的加入导致了局部Marangoni效应,很大程度上增大了界面附近的对流,为促进气液传质提供了依据。     

气液传质过程中Marangoni对流的观测与定量分析

建立了一套气液传质装置和一套纹影系统对乙醇解吸CO₂过程中产生的Marangoni对流结构进行垂直界面方向上的观察,发现解吸过程中近界面处出现均匀分布的旋涡状的对流结构,并随时间聚合发展变大。此外还利用定量纹影法考察了传质过程中的浓度分布和界面张力梯度等信息。定量的结果表明较大的界面张力梯度位于对流胞型的边缘和中心处,驱动着界面流体的运动,并耦合浮力效应,形成了近界面环流的运动形式。这种环流运动造成了对流胞型边缘浓度较大、内部浓度小的分布,促进了相界面流体微元的更新,加强了传质过程。     

吸收过程自然对流非稳态数值模拟

传质过程中液相密度变化导致的自然对流,改变了液相流动状态,对传质有着较大的影响。利用纹影仪光学方法,获得了乙醇吸收CO2过程中自然对流的纹影图像;并通过吸收传质流体CFD模型,应用有限元方法对气液吸收过程中出现的自然对流发生过程进行了数值计算,得到了液相自然对流发生时的非稳态流场分布和浓度分布信息。分析结果表明传质过程中当自然对流发生后,促进了液相表面更新,加强了传质效果,在考察相际传质过程时,应充分考虑自然对流对传质速率的影响。     

立体传质塔板CTST研究和应用现状

综述了立体传质塔板CTST在石油炼制、污水处理、化工生产和天然气化工工艺的过程改造现状和CTST塔板的理论研究现状。工业应用表明,CTST塔板确实具有抗堵、消泡、提效、增产、节能和降耗等方面的优势。凭借实验手段和CFD模拟,理论经验研究主要集中板上气、液相流动及两相流动和喷射罩内流动,但有关于流动和传质结合的研究尚少。未来CTST塔板将主要朝着增加气液两相界面面积和增快界面更新速率,改善液体流动和浓度分布,增加气液传质推动力方向进一步提高其传质性能。     

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。     

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。     

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。     

气液传质界面湍动现象投影观察

In gas-liquid mass transfer processes,interfacial turbulence may occur due to the surface tension gradient and the density gradient produced by mass transfer near the interface.The interfacial turbulence can enhance the mass transfer since it intensifies the movement of interfacial fluid.By means of the shadowgraph optical method,the interfacial turbulence patterns vertical to the interface were observed directly in the volatilization process of binary systems.The images of the amplified interfacial turbulence showed the variation of concentration and the fluid movement under the interface.Two patterns of interfacial turbulence were observed in the experiments：plume and vortex.With the plume,the interfacial fluid moved slowly and penetrated the liquid deeply.With the vortex,the interfacial turbulence occurred in the vicinity of the liquid interface and the fluid moves quite fast.A qualitative analysis was carried out based on the mechanism of Rayleigh-Bénard convection induced by density gradient and Marangoni convection induced by surface tension gradient.     

Entransy dissipation analysis of interfacial convection enhancing gas–liquid mass transfer process based on field synergy principle

An exploration of the gas CO2 absorbed into liquid ethanol accompanied with Rayleigh convection is performed by analyzing the mass entransy dissipation; this new statistical quantity is introduced to describe the irreversibility of mass transfer potential capacity. Based on the general advection–diffusion differential equation for an unsteady mass transfer process, the variation of the included angle between the velocity vector and concentration gradient fields is investigated to reveal the underlying mechanism of interfacial convection enhancing mass transfer. Results show some identical characteristics with the qualitative analyses of the synergy effects generated by the concentration and velocity fields after interfacial convection occurring for a boundary condition of fixed surface concentration. And the equivalent mass resistance for convective mass transfer process presents the similar variation with the reciprocal of instantaneous mass transfer coefficient. Accordingly, it is reasonable to be seen that mass transfer dissipation rate could be provided to assess the convection strength and explain fundamentally how Rayleigh convection improves mass transfer performance through establishing a close relationship between the mass transfer capacity and field synergy principle from the view of mass transfer theory.     

伴有Rayleigh对流的气液传质理论

浓度梯度导致的Rayleigh对流会对界面传质产生重要影响。采用格子Boltzmann方法(LBM)对吸收过程伴有Rayleigh对流的气液传质理论进行了分析。针对表面更新理论,提出了将近界面处羽状对流结构的宽度作为特征尺度来求得表面更新时间。结果表明,Rayleigh对流的发生能够有效减小双膜理论中的液膜厚度;液相传质系数的LBM模拟值与表面更新理论预测值吻合较好。     

Marangoni对流的纹影实验分析

通过纹影系统对乙醇溶液解吸CO₂的过程进行了实验研究,液层自由界面的俯视纹影图记录了对流结构的演化过程,并捕捉到了Marangoni对流结构的初始形态。相应的胞型结构因发展空间的限制,由初始的近圆形逐渐变成了多边形结构。利用纹影图片的灰度分布信息,对单个胞型结构的出现、发展及分裂阶段进行了定性分析,发现界面非均匀传质所引发的界面对流在其胞型发展的过程中将会导致界面的变形。湍动的后期,液层表面将布满多边形结构,且胞型结构基本保持不变。相应纹影图片的颜色差异随解吸的进行逐渐减小,即随着传质推动力的减小,湍动强度也将减弱。     

CO2-乙醇体系中界面对流的混合格子Boltzmann方法三维模拟及实验验证（英文）

By using a hybrid lattice-Boltzmann–finite-difference method (hybrid LBM–FDM method), three-dimensional simulations of solutal interfacial convection were conducted for the process of CO2 absorption into ethanol. A self-renewal interface model is adopted as an interfacial perturbation model. The simulation results revealed some three-dimensional features of the induced interfacial convection, such as the development of diverging cellular flow and Rayleigh plume-like convection in liquid phase. The concentration distribution of the simulation result is validated and found to be in wel agreement with the Schlieren visualization results qualitatively. Addi-tionally, the mass transfer enhancements by interfacial convection were investigated via both simulation and experiment for the absorption process, and the mass transfer is shown to be enhanced by the interfacial convec-tion by about two-fold comparing with that by diffusion.     

气相第2组分对水溶解CO2过程界面对流影响的LIF观测

采用激光诱导荧光（LIF）观测方法考察了在气相中分别添加乙醇和二氯甲烷分别对CO₂在水中溶解过程界面对流的影响,得到了液相中CO₂浓度分布及其演化的观测结果,通过物料衡算得到了相应条件下的液相传质系数。CO₂溶解过程会出现由密度梯度引起的Rayleigh对流。实验结果表明,当添加的乙醇含量小于8.47 mg·L^-1时,Rayleigh对流会被增强,进而促进了CO₂的溶解;随着气相中乙醇含量的增大,Rayleigh对流反而被抑制;气相添加二氯甲烷会显著增强Rayleigh对流,提高了CO₂的传质速率,随着气相二氯甲烷含量的增大,CO₂在水中溶解过程的液相传质系数呈现先加强后恒定的趋势。     

水溶解CO2过程界面对流现象的PIV/LIF测量及传质系数预测

建立了用于观测水溶解CO₂过程界面Rayleigh对流现象的粒子成像测速（PIV）和激光诱导荧光（LIF）技术联用方法,同时获得了该对流传质过程的液相速度场及浓度分布,定量观测了Rayleigh对流的发展过程。经界面对流发生条件下传质过程的分析,指出Rayleigh对流过程的涡量是影响传质过程的主要因素,给出了传质系数随涡量的变化关系和相应的关联式,进而为通过液相速度场的测量预测Rayleigh对流条件下的液相传质系数提供了一种有效的方法。     

Rayleigh对流及其对界面传质影响模拟的格子Boltzmann方法

针对乙醇吸收CO₂过程中,由CO₂通过界面向液体乙醇传递所导致的Rayleigh对流现象的模拟,建立了二维格子Boltzmann方法（LBM）。采用浓度分布函数和流体质点密度函数的双分布模型格子Boltzmann方法,同时引入由浓度差导致的重度差作为外加力,实现了流体中浓度场与速度场的模拟。应用所建立的LBM方法,对界面具有多个离散CO₂扩散源的二维区域液相Rayleigh对流现象进行了模拟,结果显示,模拟得到的浓度分布结构与文献中实验结果相一致。通过考察Rayleigh对流和浓度分布结构,分析了Rayleigh对流存在条件下的传递规律。通过采用LBM方法对浓度场模拟可以定量给出液相界面瞬时传质通量。计算结果表明,瞬时传质通量随时间的增长先增加后减小,这种变化与相似文献