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界面传质中Rayleigh对流的定量分析
陈曼;赵嵩;曾爱武;于海路
【摘要】SchlierensystemwasbuilttovisualizethephenomenonofRayleighconvectionperpendiculartothegas-liquidinterfaceduringtheabsorptionofcarbondioxideintopureethanolinthespecialmasstransferdevice.Astheabsorptionprogressed,thestabilityofliquidlayerweakenedanddisturbancesaggravatedtheinstability,whichledtoturbulenceintheinterfacialvicinityandwentontodevelopplumeconvectiondowntothebulkliquidwiththegrowthandintegrationofconvectivecells.Quantitativemethodwasappliedtoobtaintheconcentrationcontoursoftheliquidphase.ConcentrationdistributionandvariationofinstantaneousmasstransfercoefficientrepresentedtheonsetanddevelopmentofRayleighconvectionanditsreinforcementeffectonthemasstransferprocess.InterfacialconcentrationdistributionandcriticalRayleighnumberexplainedthemechanisminwhichthenonuniformmasstransfercontributedtothetriggerofturbulence.Theexperimentalresultsshowedthatthedownwardhighconcentrationflowspromotedtheexchangeoftheliquidbetweeninterfacialvicinityandliquidbulk,showingthatRayleighconvectioncanenhancethemasstransferprocess.%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。【期刊名称】《化工学报》【年(卷,期】2016(067011【总页数】8页(P4566-4573
【关键词】Rayleigh对流;纹影;吸收;界面;传质;定量分析【作者】陈曼;赵嵩;曾爱武;于海路
【作者单位】天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072;天津大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,天津300072【正文语种】中文【中图分类】TQ028
Rayleigh对流是相际传热与传质过程中因相界面处流体密度变化所产生的界面湍动现象[1-2]。由于温度或浓度差异导致的近界面处流体密度差异将引发流体的不稳定性,密度梯度产生的推动力将驱动界面处高密度流体向下运动到主体,增强了相际传递过程。
纹影法[3]、投影法[4]以及干涉法[5]作为非介入式方法被广泛应用于Rayleigh对流的实验研究中。在现象观察实验中,研究人员主要对垂直于界面方向的对流发展
进行了研究。Okhotsimskii等[6]运用纹影技术在多种有机溶剂吸收CO2的过程中观测到向液相主体发展的羽状对流。Arendt等[7]在对水吸收CO2过程的纹影观测中观察到类似现象,并计算了相应过程的传质速率,结果表明自然对流的产生增强了气液传质。利用放大投影法,沙勇等[4]在垂直于界面方向上观察到了丙酮-水溶液解吸传质过程中的羽状对流结构;此外,王勇等[8]与Sun等[9]在平行于界面方向上观察了有机溶剂在水平层流运动过程中吸收CO2的传质过程,得到了滚筒状和多边形的Rayleigh对流结构。以上研究主要是对自然对流现象的定性研究。为获得自然对流的更多信息,数值模拟(FEM[10]、FVM[11-12]、LBM[13-15])获取界面对流相应的浓度场与速度场已有广泛应用。在实验方面,Guo等[5]运用激光干涉技术获取了气液传质过程中的近界面浓度分布;Liu等[16]与于海路等[17]利用定量纹影分析了气液传质中Marangoni对流,获取了界面浓度与表面张力分布。
本实验以乙醇吸收CO2的过程作为研究对象,单独研究Rayleigh对流。在获得界面对流纹影图像的同时对其进行定量分析,得到相应图片的液层浓度分布,并以此分析了Rayleigh对流的引发与发展过程,更为深入地研究其对于传质的增强机理。
1.1实验试剂
实验用的分析纯(纯度≥99.7%)乙醇由天津康科德有限公司提供;N2与CO2(纯度≥99.99%)由天津市北方气体公司提供。1.2实验装置与操作
本文所用纹影系统(图1)及实验装置(图2)与于海路等[17]所用相同,实验流程略有变化。调节纹影光路使平行光路垂直通过传质装置中的竖直液层,得到界面对流的主视图。为获取较清晰的图片,CCD的帧数调整至1帧/s,图片像素为1236×1628,其中的像素格间距所对应的实际尺寸为0.0384mm。
实验前,将纯乙醇进行超声除气的预处理,用注射泵将其注入到装置内部,液层深度约为60mm,厚度为2mm。为避免传质过程中液相乙醇的挥发,实验所用的高纯CO2在通过装有乙醇的鼓泡装置饱和后,由装置上端的进气口进入。在此选取气体流量为100ml·min-1,以减少吹扫气对气液界面造成的扰动。气液传质实验在常温25℃、常压101.3kPa下进行,并利用PID温度控制仪保证吹扫气与液层温度相同,以消除因温度变化引发的自然对流。
本实验中,由于传质装置的空间限制,腔室内的液层宽度均一,平行光线通过时,液层中折射率梯度的存在是光线发生偏折的唯一因素。液相的折射率随CO2的浓度升高而降低[17],向下偏折的光线被刀口遮挡使得相应的区域变暗,纹影图片中的亮暗分布直接反映了液层各处的折射率梯度分布。
当平行光线垂直通过较窄液层时,因折射率存在导致的偏折角度[3]为
式中,(x,y为近似二维液层的空间坐标;nl为此处液层的折射率;L为液层厚度。光线穿过液层进入空气后,因介质的改变将再次发生偏折,相应的偏折角度可表示为
式中,ε'y为光线穿过液层到达空气中的偏折角度;na为外部环境中的折射率,近似为1。在面光源纹影系统中,传质纹影图像各点灰度(If)与相应背景灰度(Ik)存在如下关系
式中,ΔI为传质纹影图像与背景的灰度差值;ak为背景图像对应的未被刀口遮挡