【摘要】：精餾塔設(shè)計中,通常用塔板效率來表示塔板上傳質(zhì)的完善程度,以便依據(jù)理論塔板數(shù)得出實際塔板數(shù)。目前,理論塔板數(shù)已經(jīng)可以準(zhǔn)確地計算,但如何精確地預(yù)測塔板效率卻仍非常困難。由于影響塔板效率的因素太多,表面張力對塔板效率的影響長期被忽視。直到表面張力梯度誘導(dǎo)的Marangoni效應(yīng),被發(fā)現(xiàn)在精餾系統(tǒng)中也存在時,它才逐漸得到重視。對于泡沫工況下的精餾系統(tǒng),Marangoni效應(yīng)通過抑制或促進(jìn)氣泡間的聚并,改變氣液相界面積從而影響塔板效率。然而,由于精餾系統(tǒng)的復(fù)雜性,目前對Marangoni效應(yīng)影響機(jī)理的認(rèn)識仍然是宏觀層面的一種猜想,它對氣泡聚并的作用機(jī)理也并未得到實驗驗證,更無任何相關(guān)的理論模型。所以,進(jìn)一步對Marangoni效應(yīng)的微觀作用機(jī)理開展相關(guān)的研究工作,對塔板效率的準(zhǔn)確預(yù)測和精餾塔的設(shè)計具有重要意義。本文以準(zhǔn)確把握泡沫層中氣泡的聚并機(jī)理為出發(fā)點,采用實驗和理論方法對存在相間傳質(zhì)時的氣泡聚并行為進(jìn)行研究,并根據(jù)傳遞組分是否具有表面活性分別建立液膜排液理論模型,最后基于排液模型建立三維精餾塔板氣液兩相流場、濃度場和氣泡尺寸分布的CFD-PBM模型。首先,搭建了考察雙氣泡間聚并行為的實驗裝置,在室溫環(huán)境下研究了相間傳質(zhì)作用對聚并行為的影響。通過對比不同溫度和濃度下幾種揮發(fā)性水溶液中的氣泡聚并效率,首次從微觀上驗證了文獻(xiàn)中關(guān)于Marangoni效應(yīng)對氣泡聚并作用機(jī)理的猜想。實驗結(jié)果表明：隨溶液溫度、揮發(fā)性組分濃度和揮發(fā)性組分表面活性的升高, Marangoni效應(yīng)對氣泡聚并的抑制作用增強(qiáng),氣泡的聚并效率降低。采用穩(wěn)定因子M可以定性地描述不同系統(tǒng)中Marangoni效應(yīng)的強(qiáng)度,該因子表征了液膜中所能形成的最大表面張力梯度值。其次,以非表面活性組分為對象,首次在氣泡聚并過程的液膜排液模型中加入了相間傳質(zhì)誘導(dǎo)的Marangoni效應(yīng)。模擬結(jié)果表明：正性系統(tǒng)中,Marangoni效應(yīng)會抑制排液速率,相反,負(fù)性系統(tǒng)中,Marangoni效應(yīng)則加速排液過程。正性系統(tǒng)中,排液過程在Marangoni效應(yīng)作用下將經(jīng)歷三個階段,Marangoni效應(yīng)的抑制作用主要體現(xiàn)在第二階段,該階段持續(xù)時間的長短取決于濃度梯度峰值向液膜邊緣的遷移速度,該遷移速度隨氣液界面?zhèn)髻|(zhì)強(qiáng)度的增加、液膜內(nèi)擴(kuò)散速率的增加以及氣泡靠近速度的減小而加快。接著,考慮到組分具有表面活性時,組分界面濃度將與主體濃度有明顯差別,組分的相間傳質(zhì)和溶液表面張力受界面濃度的控制,故在第四章模型的基礎(chǔ)上增加了界面濃度的輸運(yùn)方程。模擬結(jié)果表明,傳遞組分具有表面活性時：排液速率受到相間傳質(zhì)誘導(dǎo)的Marangoni效應(yīng)和組分表面活性引起的Gibbs-Marangoni效應(yīng)共同作用,聚并過程受到的抑制作用更強(qiáng),此時的排液過程也同樣可以分為三個階段。即使氣相側(cè)傳質(zhì)較弱,導(dǎo)致相間傳質(zhì)誘導(dǎo)的Marangoni效應(yīng)消失,排液過程仍將受到Gibbs-Marangoni效應(yīng)的抑制作用。將模擬結(jié)果與本文實驗結(jié)果對比,最大誤差小于20%,驗證了模型的可靠性,但本模型在其它因素對排液速率的影響占據(jù)主導(dǎo)地位時模型不再適用,如粘性力。最后,在排液模型的基礎(chǔ)上,采用雙流體模型和顆粒種群模型相耦合的方法,建立了三維精餾塔板氣液兩相流場、氣泡尺寸分布和濃度場的CFD-PBM模型。模型中首次考慮了Marangoni效應(yīng)對精餾塔板上泡沫層中氣泡尺寸分布和相界面積的影響。模型中采用混合相的k-e湍流模型來封閉N-S方程,相間動量和質(zhì)量傳遞分別采用Krishna和Higbie方法。將模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實驗數(shù)據(jù)對比,發(fā)現(xiàn)：未考慮Marangoni效應(yīng)時,塔板效率模擬值最大誤差為33%,誤差主要位于Marangoni效應(yīng)較強(qiáng)的低濃度區(qū)；考慮Marangoni效應(yīng)后,模擬值的最大誤差減小為20%。另外,從氣泡尺寸的分布特征得到：氣泡破碎主要發(fā)生在靠近塔板位置,泡沫層中氣泡聚并機(jī)理占據(jù)主導(dǎo)地位。Marangoni效應(yīng)較弱時,氣泡在上升的同時小斷相互聚并增大并導(dǎo)致尺寸分布較寬,相界面積較小；Marangoni效應(yīng)較強(qiáng)時,氣泡在上升過程中尺寸基本維持不變,整體尺寸分布也比較窄,相界面積較大。
【圖文】：

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本文編號：2585113