胡偉超，賈學(xué)五，袁希鋼

（天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津 300072）

界面對流現(xiàn)象對相際傳質(zhì)及多相流動過程會產(chǎn)生顯著影響。Marangoni效應(yīng)是在傳質(zhì)過程中由表面張力差引發(fā)的一種界面流動現(xiàn)象，會導(dǎo)致近界面流體的流動，即界面對流，進(jìn)而對傳質(zhì)過程產(chǎn)生影響［1-3］。如何通過界面張力變化引發(fā) Marangoni現(xiàn)象，進(jìn)而強(qiáng)化傳質(zhì)過程則成為了重要的研究課題。Okhotsimskii［4］利用紋影技術(shù)對靜態(tài)池中不同氣液體系產(chǎn)生的對流形態(tài)和界面擾動結(jié)構(gòu)進(jìn)行了光學(xué)觀察。Sun和 Yu［5］通過有機(jī)溶劑吸收和解吸CO2的實驗觀測了氣液傳質(zhì)系統(tǒng)中Marangoni對流產(chǎn)生的有序結(jié)構(gòu)。陳煒［6］采用微觀粒子成像測速儀（Micro PIV）對液滴組成變化引起的Marangoni效應(yīng)進(jìn)行了觀察，分析了液滴形狀和組成的改變對其內(nèi)部對流的影響。然而，上述研究主要是通過傳質(zhì)過程本身導(dǎo)致的界面張力變化來考慮界面對流對傳質(zhì)過程的強(qiáng)化，因而會受到物系的限制。本研究提出在水吸收二氧化碳過程中通過主動向氣相中加入低表面張力的第三組分，以改變液體表面局部界面張力，通過調(diào)節(jié)第三組分的濃度實現(xiàn)引發(fā)界面對流。本研究采用乙醇作為第三組分，利用粒子成像測速儀（PIV）測得垂直于界面的液相流場速度矢量信息，并定量分析了氣相中乙醇的加入對氣液傳質(zhì)過程界面對流的影響。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑和儀器

試劑：無水乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.7%，天津光復(fù)科技有限公司）；高純水（電導(dǎo)率小于0.3μS/cm，天津綠源水廠）；氣體 CO2和 N2（體積分?jǐn)?shù)均為99.99%）。

儀器：PIV測量系統(tǒng)（德國LaVision公司生產(chǎn)）；氣相色譜儀（型號為 7890A，美國安捷倫公司生產(chǎn)）；WZ-50C6微量注射泵。

1.2 氣液傳質(zhì)過程中界面對流測量系統(tǒng)

測量水-CO2體系吸收過程中氣液界面對流的實驗裝置如圖1所示，主要由PIV測量系統(tǒng)［7-8］和氣液傳質(zhì)系統(tǒng)組成。PIV測量系統(tǒng)主要由北京鐳寶光電公司生產(chǎn)的雙脈沖 Nd-YAG激光系統(tǒng)，LaVision公司生產(chǎn)的CCD相機(jī)和圖像處理軟件組成。Nd-YAG激光系統(tǒng)的輸出波長為532nm，激光脈沖寬度10～15 ns，最大脈沖能量200 m J，雙脈沖時間間隔1～98000μs，激光脈沖頻率 0～10 Hz。CCD相機(jī)用于采集流場中粒子圖像，其分辨率為1376×1040，并配有波長為532nm的濾光片以消除雜光的影響。實驗中采用直徑為8～10μm的中空玻璃微球作為示蹤粒子，其密度約為1000 kg/m3，在水中具有很好的跟隨性。

圖1所示的氣液傳質(zhì)系統(tǒng)中的透明光學(xué)傳質(zhì)實驗盒由有機(jī)玻璃制作，其內(nèi)部尺寸為100mm×50mm×5mm（長×高×寬），實驗時加入的液體高度大約為40mm，氣體在靜止的液體上方水平通過并與液體接觸。實驗中傳質(zhì)盒內(nèi)的液體采用微量注射泵加入，流量控制在40～60 mL/h，以避免加液過程造成液體的流動。由于傳質(zhì)實驗盒在z方向上的厚度僅為5mm，可認(rèn)為對流被限制為二維，故可通過二維測量很好地獲得對流的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 PIV測量實驗裝置圖Fig.1 Schematic diagram of the experimental apparatus for PIV measurement

所有的實驗均在溫度25℃、常壓下進(jìn)行。在氣液傳質(zhì)過程界面對流測量實驗開始之前，需要做空白實驗，即使用N2作為氣相，在不同的流量下通過液體表面。若液層沒有大的波動，也沒有對流漩渦結(jié)構(gòu)出現(xiàn)，并且整個流場的速度都很小，便可以認(rèn)為排除了氣體吹掃對液體流場的影響，相應(yīng)的氣體流量可以作為實驗中采用的適宜流量。

1.3 氣相中乙醇的加入及定量方法

乙醇為易揮發(fā)物質(zhì)，若將圖1中儲罐內(nèi)的純水換為乙醇或乙醇水溶液，氣體二氧化碳通過儲罐后就會攜帶部分乙醇蒸汽出來，這樣就達(dá)到了向氣相中加入乙醇的目的，并且還可以通過改變乙醇溶液的濃度控制氣相中乙醇加入量的多少。由于實驗條件下水的飽和蒸汽壓要比乙醇小得多，所以CO2通過乙醇溶液時混入到氣相中水蒸氣的量很小，并且吸收劑同樣為水，因此水蒸氣的影響相對于乙醇帶來的影響是可以忽略的。

采用氣相色譜對從儲罐出來的CO2和乙醇的混合物進(jìn)行分析，并使用外標(biāo)法計算得到氣相中乙醇的濃度。

2 結(jié)果與討論

實驗過程中所用的水-CO2體系及乙醇的物性參數(shù)在表1中列出。

表1 水-CO 2體系和乙醇在T=298.2 K、p=1.013×105 Pa下的物性參數(shù)Table 1 Physical properties of water-CO 2 system and ethanol at T=298.2 K and p=1.013×105 Pa

其中，ρw與 ρeth分別為純水和乙醇的密度；σw與σeth分別為純水與乙醇的表面張力；DL為CO2在水中的擴(kuò)散系數(shù)；μw為水的動力學(xué)黏度。為了進(jìn)行對比，分別采用如表2給出的4種氣體條件進(jìn)行實驗。其中1為空白實驗，即僅有氣體的流動，不發(fā)生氣液傳質(zhì)；2為 CO2在水中吸收實驗，氣相不加入乙醇；3和4分別是氣體中具有不同濃度CO2的吸收實驗。為了消除氣體流速的影響，實驗中氣體流量均為80 mL/min。

表2 不同條件下的實驗對比Table 2 Comparison of experimen ts under different conditions

2.1 流場平均速度的分析

為了測量實驗盒內(nèi)傳質(zhì)過程中的界面對流，首先測量了全流場的平均速度隨時間的變化以及瞬時平均速度分布。

由于PIV系統(tǒng)測量分辨力的限制，全流場的平均速度會出現(xiàn)一定的隨機(jī)波動。為了方便地觀察和比較平均速度隨時間變化的趨勢，本研究采用20點移動平均方法將原始數(shù)據(jù)平滑處理。平滑后的曲線可正確地反映實驗測量的全流場平均速度隨時間的變化趨勢［13］。圖2所示即為通過 PIV測量系統(tǒng)得到的全流場平均速度隨時間變化的趨勢圖。

圖2 全流場平均速度隨時間變化圖Fig.2 Evolution of spatially averaged velocity versus time

首先在空白實驗中，液體平均流速較小，且不隨時間變化。在 CO2吸收實驗中，由于傳質(zhì)的作用，液體產(chǎn)生對流，且平均流速隨時間增加，這主要是CO2在液體中擴(kuò)散所導(dǎo)致的。當(dāng)氣相中加入乙醇后，氣體和液體接觸后 CO2與乙醇均會被水吸收，乙醇在水中的溶解度比 CO2要大，所以乙醇更容易被水吸收。被吸收的乙醇在氣液界面處分布不均勻，使得乙醇存在處的表面張力下降，進(jìn)而在液體表面形成了界面張力差，這種界面張力的不均勻破壞了界面力的平衡，界面張力高的區(qū)域液體趨于收縮，這一區(qū)域液體受到擠壓而轉(zhuǎn)向液相主體，從而引發(fā)局部的對流，即局部的 Marangoni現(xiàn)象。隨著乙醇擴(kuò)散和張力梯度的持續(xù)存在，這種對流還會向液相主體發(fā)展，從而表現(xiàn)出整個流場速度都會增大的效果。隨著氣相中乙醇濃度的增大，表面張力梯度產(chǎn)生的效果會更明顯，流場平均速度也會相應(yīng)地增加。

從圖2中還可以發(fā)現(xiàn)，在氣液傳質(zhì)過程的初始階段，氣相中加入乙醇后速度要比不加乙醇時增加得快，這是由于不加乙醇時CO2在開始階段主要以擴(kuò)散的形式向液相傳遞。而乙醇的存在則會引發(fā)Marangoni對流，增大液相表面更新速率，繼而增強(qiáng)氣液傳質(zhì)推動力，增加了 CO2在液相中的對流傳遞。

圖3為120 s時4種實驗中液體流場的速度矢量分布圖與對應(yīng)的流線圖。

從圖3可以看出，氣相中加入乙醇后會有更多的對流漩渦出現(xiàn)，流場速度也會增大，且乙醇濃度越大這種現(xiàn)象也就更明顯。

通過對液相流場不同高度的水平截面內(nèi)速度取算術(shù)平均值，可以得到流場瞬時平均速度沿垂直于界面方向的分布，如圖4所示，坐標(biāo)原點表示界面所在位置。

由圖4可發(fā)現(xiàn)，氣相中不加乙醇時較大的流場速度出現(xiàn)在液相主體內(nèi)，而氣相中加入乙醇后，液相流場中距離界面大約10mm范圍內(nèi)不同位置的流場平均速度要明顯大于液相主體中的速度，說明表面張力梯度引起的局部Marangoni效應(yīng)導(dǎo)致的對流漩渦主要分布在界面附近的區(qū)域。這是實驗中觀測到的加入第3組分引發(fā)局部Marangoni效應(yīng)的速度分布主要特征。

圖3 120 s時流場的速度矢量分布圖和流線圖Fig.3 Vectorial velocity distributions and streamline of flow field at 120 s

圖4 120 s時平均速度沿垂直于界面方向的分布Fig.4 Distributions of average velocity along the vertical direction of the interface at 120 s

2.2 流場湍動能的分析

為了全面地反映氣液傳質(zhì)過程中局部Marangoni對流的特征，本研究借用湍動能理論來說明流場速度變化的劇烈程度和對流現(xiàn)象的特征［14］。本研究以平均瞬時速度相對于時均速度的標(biāo)準(zhǔn)差作為一種擬脈動速度，以類比湍流中的脈動速度，進(jìn)而對液體由于局部Marangoni效應(yīng)引發(fā)的對流對應(yīng)的動能進(jìn)行估算。這一標(biāo)準(zhǔn)差表示為：

其中ui和vi分別為某一個高度水平截面上x和y方向在時刻i的平均速度，ˉu和ˉv分別為該截面在兩個方向上從第40 s開始10 s內(nèi)的時均流速。與對流相對應(yīng)的湍動能則可以表示為

通過對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到了流場內(nèi)湍動能在垂直于氣液界面方向上的分布，如圖5所示。

圖5 湍動能沿垂直于界面方向的分布Fig.5 Distributions of turbulent kinetic energy along the vertical direction of the interface

從圖5可以看出氣相中加入乙醇后流場內(nèi)各處的湍動能比氣相中不加乙醇時的湍動能要大，且湍動能隨乙醇添加量增加而有所增大。氣相中不加乙醇時較大的湍動能分布在遠(yuǎn)離界面的區(qū)域，說明液相主體處流動變化比界面處劇烈。而氣相中加入乙醇后的氣液傳質(zhì)過程中，近界面處的湍動能明顯增大，界面附近Marangoni對流形成的漩渦較多。同時，Marangoni效應(yīng)還會向液相主體滲透，加劇流體流動，湍流特性增強(qiáng)。

3 結(jié)論

氣相中乙醇的加入對水-CO2體系氣液傳質(zhì)過程液相流場產(chǎn)生了重要影響，乙醇加入后測得的液相流場平均速度和湍動能整體上比不加乙醇時要大。同時，由于氣相中乙醇的存在，引發(fā)了界面對流，使得近界面處的速度和湍動能明顯大于不加乙醇時的速度和湍動能，界面湍動劇烈程度增大，促進(jìn)了氣液傳質(zhì)。

［1］Farajzadeh R，Salimi H，Zitha P L J，et al.Numerical simulation of density-driven natural convection in porous media with application for CO2injection projects［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2007，50（25/26）：5054-5064

［2］Sun Z，Yu K.Rayleigh-Bénard-Marangoni cellular convection expressions for heat and mass transfer rates［J］.Chemical Engineering Research and Design，2006，84（3）：185-191

［3］Arendt B，Dittmar D，Eggers R.Interaction of interfacial convection and mass transfer effects in the system CO2-water［J］.International Journal of Heat and Mass Transfer，2004，47（17/18）：3649-3657

［4］Okhotsimskii A，Hozawa M.Schlieren visualization of natural convection in binary gas-liquid systems［J］.Chemical Engineering Science，1998，53（14）：2547-2573

［5］Sun Z，Yu K，Wang S，et al.Absorption and desorption of carbon dioxide into and from organic solvents：Effects of Rayleigh and Marangoni instability［J］.Ind Eng Chem Res，2002，41（7）：1905-1913

［6］陳煒.氣液界面 Rayleigh-Bénard-Marangoni對流現(xiàn)象實驗測量及傳質(zhì)研究 ［D］.天津：天津大學(xué)，2010 Chen Wei.Experimental measurement of gas-liquid interfacial Rayleigh-Bénard-Marangoni convection and mass transfer［D］.Tianjin：Tianjin University，2010（in Chinese）

［7］Westerweel J.Fundamentals of digital particle image velocimetry［J］.Meas Sci Technol，1997，8：1379-1392

［8］Adrian R J.Twenty years of particle image velocimetry［J］.Experiments in Fluids，2005，39（2）：159-169

［9］Arce A，Rodil E，Soto A，et al.Density，refractive index，and speed of sound for 2-ethoxy-2-methylbutane+ethanol+water at 298.15 K［J］.J Chem Eng Data，2000，45（4），536-539

［10］Vázquez G，Alvarez E，Navaza JM.Surface tension of alcohol+water from 20 to 50℃ ［J］.JChem Eng Data，1995，40（3），611-614

［11］Dittmar D，F(xiàn)redenhagen A，Eggers R，et al.Interfacial tensions of ethanol-carbon dioxide and ethanol-nitrogen.Dependence of the interfacial tension on the fluid density：Prerequisites and physical reasoning［J］.Chemical Engineering Science，2003，58：1223-1233

［12］Takahashi M，Kobayashi Y，Takeuchi H.Diffusion coefficients and solubilities of carbon dioxide in binary mixed solvents［J］.JChem Eng Data，1982，27（3）：328-331

［13］Chen S，F(xiàn)u B，Yuan X，et al.Lattice Boltzmann method for simulation of solutal interfacial convection in gasliquid system［J］.Ind Eng Chem Res，2012，51（33）：10955-10967

［14］Cui Z，F(xiàn)an L.Turbulence energy distributions in bubbling gas-liquid and gas-liquid-solid flow systems［J］.Chemical Engineering Science，2004，59（8/9）：1755-1766