气液界面传质机理与强化

气液界面传质机理与强化

论文摘要

气液传质在化工过程中普遍存在,由于目前的研究大多局限于宏观的表面现象,尚难揭示其内在的传质特性及传质机理。现有的经典传质理论均是在经验或半经验基础上发展起来的,无法从微观上揭示相际传质机理,因而只适用于某些特定的情况,局限性较大。因此,从微观上进一步深入研究气液传质过程,建立精确的以界面非平衡机理为基础的非线性传质模型是非常必要的。本文利用实时激光全息干涉系统,结合显微放大技术,对不同主体流速下甲醇-CO2、乙醇-CO2、正丙醇-CO2、正丁醇-CO2气液传质过程及不同浓度十二烷基硫酸钠(SDS)、十二烷基苯磺酸钠(SDBS)、十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)、聚丙烯酸(PAA)四种表面活性剂对乙醇-CO2传质过程的影响进行了研究。得到了气液界面附近液相侧的浓度场分布及界面浓度、浓度边界层厚度。对于气体吸收过程,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,提出界面非平衡理论,推导出传质存在时两相界面处的浓度关系,并对静止和运动气泡两种情况分别进行了求解。针对气体组分被吸收进入静态小液滴的传质过程,分别采用平衡模型和非平衡模型对具有较低溶解度的物理吸收过程进行了分析,并对吸收过程中不同时间液滴内的浓度分布进行了求解。另外以对流扩散方程为基础,考虑了界面阻力对传质的影响,得到气泡周围近界面附近的浓度场分布模型,模型计算值和实验值进行了比较,结果吻合较好。气液两相传质强化是化工过程研究的一个重要内容,在恒温反应釜内,对CO2在不同搅拌速率下、不同浓度活性炭-水浆料体系中的吸收强化进行了实验研究,计算得到不同情况下的增强因子。基于膜模型和界面非平衡原理,提出了一个新的预测增强因子的模型,能很好地解释粒子浓度及搅拌强度对增强因子的影响,并且模型预测值与实验值吻合良好。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 前言
  • 第二章 文献综述
  • 2.1 气液传质理论研究
  • 2.1.1 经典传质理论
  • 2.1.1.1 膜理论
  • 2.1.1.2 渗透理论
  • 2.1.1.3 表面更新理论
  • 2.1.2 经典模型的修正
  • 2.1.2.1 膜-渗透理论
  • 2.1.2.2 修正的表面更新模型
  • 2.1.2.3 修正的膜理论
  • 2.1.3 湍动旋涡理论
  • 2.1.3.1 旋涡扩散模型
  • 2.1.3.2 旋涡池模型
  • 2.1.4 多尺度局部均匀模型
  • 2.2 第三组分对气液传质的影响
  • 2.2.1 界面湍动和 Marangoni 效应
  • 2.2.2 界面湍动和 Marangoni 效应对气液传质的影响
  • 2.2.3 第三组分对气液传质的影响
  • 2.2.4 界面阻力
  • 2.3 气液传质过程强化
  • 2.3.1 分散相粒子强化气液传质机理
  • 2.3.2 增强因子预测模型
  • 2.3.3 传质系数及界面面积与强化吸收的关系
  • 2.3.4 结语
  • 第三章 实时激光全息干涉法测量原理和方法
  • 3.1 全息干涉简介
  • 3.1.1 全息干涉与普通干涉的比较
  • 3.1.2 全息干涉法测量原理
  • 3.1.3 全息干涉的必要条件
  • 3.1.4 实时全息干涉术的优点
  • 3.2 实时全息干涉法测量液相浓度场的原理
  • 3.2.1 实时全息干涉条纹与折射率的关系
  • 3.2.2 浓度与折射率的关系
  • 3.2.3 计算折射率n ( x) 的误差分析
  • 3.3 实验装置及操作方法
  • 3.3.1 激光全息干涉系统
  • 3.3.2 气液传质模拟装置
  • 3.3.3 实验步骤
  • 3.4 图像采集及图像处理
  • 3.4.1 图像的采集
  • 3.4.2 图像的处理
  • 第四章 实验结果及分析讨论
  • 4.1 实验试剂
  • 4.2 界面湍动现象
  • 4.3 实验结果
  • 2吸收过程的影响'>4.3.1 流速对 CO2吸收过程的影响
  • 2 吸收过程的影响'>4.3.2 表面活性剂对 CO2吸收过程的影响
  • 4.3.3 分析与讨论
  • 4.4 本章小结
  • 第五章 气液传质界面非平衡理论
  • 5.1 气液界面非平衡模型的建立
  • 5.2 单气泡传质
  • 5.3 结果与讨论
  • 5.3.1 静止气泡的吸收
  • 5.3.2 运动气泡的传质
  • 5.4 本章小结
  • 第六章 静态小液滴对周围气体的吸收机理
  • 6.1 理论
  • 6.2 结果和讨论
  • 6.3 本章小结
  • 第七章 气泡吸收的界面传质模型
  • 7.1 表面速度分布
  • 7.2 气泡界面传质模型的建立
  • 7.3 气液界面传质模型的模拟
  • 7.3.1 实验数据
  • 7.3.2 模拟结果及分析
  • 7.4 本章小结
  • 第八章 吸附剂粒子促进气液传质的增强机理
  • 8.1 模型推导
  • 8.2 实验
  • 8.3 讨论
  • 8.4 本章小结
  • 第九章 结论
  • 参考文献
  • 发表论文和参加科研情况说明
  • 附录 I 符号说明
  • 附录Ⅱ扩散系数测量方法
  • 附录Ⅲ全息干版处理液配方
  • 致谢
  • 相关论文文献

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