伴有Marangoni效應(yīng)的傳質(zhì)動力學(xué)
- 期刊名字:化工學(xué)報
- 文件大?。?63kb
- 論文作者:沙勇,成弘,袁希鋼,余國琮
- 作者單位:天津大學(xué)化學(xué)工程研究所
- 更新時間:2020-08-30
- 下載次數(shù):次
第54卷第I期化工學(xué)報Ⅴol.54M1l2003年11月Journal of Chemical Industry and Engineering ChinNovember 2003研究論文A伴有 Marangoni效應(yīng)的傳質(zhì)動力學(xué)沙勇成弘袁希鋼余國琮天津大學(xué)化學(xué)工程研究所,天津300072)摘要結(jié)合 Marangoni對流的流體動力學(xué)條件,通過建立的半經(jīng)驗?zāi)P脱芯苛税橛?Marangoni效應(yīng)的傳質(zhì)動力學(xué),闡述了 Marangon效應(yīng)增強(qiáng)傳質(zhì)的機(jī)理,得到了傳質(zhì) Sherwood數(shù)與 Marangoni數(shù)之間的連續(xù)指數(shù)關(guān)聯(lián),從而得以解釋不同實驗過程中得到的不同 Sherwood數(shù)與 Marangoni數(shù)之間的關(guān)系.研究表明,由 Marangon效應(yīng)而增強(qiáng)的傳質(zhì)系數(shù)與界面 Marangoni湍動的表現(xiàn)形式有關(guān)關(guān)鍵詞 Marangoni效應(yīng)溶質(zhì)滲透擴(kuò)散質(zhì)量傳遞中圖分類號TQ028·16文獻(xiàn)標(biāo)識碼A文章編號0438-1157(2003)11-1518-06KINETICS OF MASS TRANSFER ACCOMPANIEDBY MARANGONI EFFECTSHA Yong, CHENG Hong, YUAN Xigang and YU Guocong( Kuo Tsung YuChemical Engineering Research Center Tianjin University Tianjin 300072, ChinaAbstract By considering the unsteady penetration of interfacial turbulence units into the bulk liquid, a semempirical model of mass transfer accompanied by the interfacial Marangoni effect is proposed, which indicates thedependence of the enhanced mass transfer coefficient on the Marangoni number. The mathematical analysis helps toexplain the existence of different types of empirical correlations between the Sherwood number and Marangonnumber from the literature. The analysis also shows that the enhancement of mass transfer coefficient by theinterfacial Marangoni effect relies on the types of Marangoni convectionKeywords Marangoni effect solute penetration diffusion, mass transfer引言如細(xì)胞狀及滾筒狀)容易出現(xiàn);而在化工過程大部分的傳質(zhì)操作中,往往伴有強(qiáng)烈的主體湍動,由在氣液或液液相際傳質(zhì)過程中,相界面上表面于主體湍動的影響,相際界面上難以形成有序的界張力的變化將會引發(fā)界面 Marangoni湍動,從而對面湍動,此時界面湍動由無序的 Marangoni對流結(jié)傳質(zhì)過程產(chǎn)生重要的影響.大量的實驗證明由此導(dǎo)構(gòu)構(gòu)成.具體的有序及無序 Marangoni對流結(jié)構(gòu)形致的界面 Marangoni湍動促進(jìn)了表面更新,伴有態(tài)可參見文獻(xiàn)[2,3]有序與無序兩者僅僅是Marangoni湍動的傳質(zhì)系數(shù)往往較無湍動時增大數(shù) Marangoni對流呈現(xiàn)的不同幾何形態(tài),有序?qū)α鹘Y(jié)倍之多,例如在層流的丙酮解吸CO2時,構(gòu)有著統(tǒng)一的幾何尺寸,其特征尺寸惟一,而無序Marangoni效應(yīng)的發(fā)生將加快傳質(zhì)速率,增強(qiáng)解吸對流結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,特征尺寸可用統(tǒng)計平均值表效果.傳質(zhì)過程中界面 Marangoni湍動的宏觀表征現(xiàn)形態(tài)可分為有序?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)和無序?qū)α鹘Y(jié)構(gòu).當(dāng)流H中國煤化工際傳質(zhì)的影響體現(xiàn)在體靜止或在層流狀態(tài)下傳質(zhì)時,有序?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)界面CNMHG的界面流動促進(jìn)了界2003-03-14收到修改稿Received date: 2002-06-03聯(lián)系人:成弘.第一作者:沙勇,男,32歲,博士,講師Corresponding author: Prof. CHENG Ho現(xiàn)在廈門大學(xué)化工系Foundation item: supported by the National Natural Science基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(N.20076032)Foundation of China( No. 20076032)第54卷第11期沙勇等:伴有 Marangoni效應(yīng)的傳質(zhì)動力學(xué)1519面流體單元的更新,從而促進(jìn)了傳質(zhì)1*.因此伴例,但是得到的傳質(zhì)動力學(xué)特性同樣適用于伴有界有 Marangoni效應(yīng)的傳質(zhì)動力過程與沒有 Marangoni面 Marangon湍動的液液等相際傳質(zhì)過程.效應(yīng)時有著顯著區(qū)別大量的實驗工作表明,伴有1伴有 Marangoni效應(yīng)傳質(zhì)過程的M效應(yīng)時的傳質(zhì)動力學(xué)具有如下特性:①傳質(zhì)系數(shù)顯著高于只有擴(kuò)散過程而無 Marangoni效流體表面停留時間應(yīng)作用時的傳質(zhì)系數(shù);②傳質(zhì)系數(shù)依賴于濃度推動圖1表示一個氣液相際傳質(zhì)過程中的界面?zhèn)髻|(zhì)力和界面性質(zhì),特別是界面張力梯度;③存在一個狀況,圖中矩形方框代表液體單元( liquid unit)濃度推動力的臨界值或者其他參數(shù)的臨界值,只有按照溶質(zhì)滲透理論,假定主體的液體單元運(yùn)動到界超過這個值,傳質(zhì)系數(shù)才大于只有擴(kuò)散過程的傳質(zhì)面上停留一段相同的時間r1,在這段時間內(nèi)兩相系數(shù);④用表面活性劑促使發(fā)生 Marangoni效應(yīng)進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)滲透傳質(zhì),然后進(jìn)入流體主體混合,從時,傳質(zhì)系數(shù)也將顯著提高而得到相際傳質(zhì)系數(shù)K的表達(dá)式如下151鎣于 Marangoni效應(yīng)對傳質(zhì)的重要影響,衡量K=2Marangoni效應(yīng)的 Marangoni數(shù)已進(jìn)入傳質(zhì)系數(shù)的關(guān)聯(lián)式中,二者之間的關(guān)系可以由傳質(zhì) Sherwood數(shù)Shturbulence unit (t2)interface和 Marangoni數(shù)M的關(guān)聯(lián)式表示51值得注意的是,式(1)中指數(shù)m值是變化convection的. Brian等在丙酮從水溶液中解吸的濕壁塔實驗liquid unit(t,)中觀測到Sh和Ma的冪函數(shù)關(guān)聯(lián),得到m=0.25然而在同時, Brian等在其他物系的傳質(zhì)過程中發(fā)Fig 1 Schematic diagram of interfacialMarangoni turbulence un現(xiàn)m=0.5和m=1.016. Warmuzinski和 Buzek在乙醇胺化學(xué)吸收CO2時得到m=0.26571然而,在傳質(zhì)過程中,界面表面張力變化將會Imaishi等利用不同的表面活性物質(zhì)在濕壁塔和噴引發(fā)界面 Marangoni湍動,如圖1所示,即射塔解吸,在相當(dāng)小的接觸時間里研究了 Marangon流動是垂直于界面平面內(nèi)的液體循環(huán)流Marangoni效應(yīng)發(fā)展的起始階段,實驗顯示m=0.4動5).正是這個流動對傳質(zhì)發(fā)生了影響,此時界±0.1].Msko和 Garber發(fā)現(xiàn)在氣液傳質(zhì)系統(tǒng)中面液體產(chǎn)生了一個附加的界面速度,此速度導(dǎo)致了m=1°. Golovin等對氣液傳質(zhì) Marangoni效應(yīng)的界面 Marangoni湍動單元( turbulence unit,即圖1研究中得到m=0.68±0.351.大量的實驗數(shù)據(jù)顯中陰影方塊)向液相主體的混合,改變了原有的示式(1)中的m在0.25和1之間,但m的變化傳質(zhì)狀況.假設(shè)湍動單元停留時間為一恒定的值難以用理論預(yù)測τ2,則依據(jù)滲透理論修正的傳質(zhì)系數(shù)k。為大量的分離過程,特別是精餾、吸收、萃取等,容易受到 Marangoni效應(yīng)引發(fā)的界面湍動的影如果將增強(qiáng)的傳質(zhì)系數(shù)與原傳質(zhì)系數(shù)之比定義響,有效地利用這一特性是強(qiáng)化傳質(zhì)過程的一個良好途徑.例如 Proctor0、 Martin1等在考察各種為傳質(zhì)增強(qiáng)因子F,則F為精餾條件下規(guī)整填料傳質(zhì)效率時,強(qiáng)調(diào)了(4)Marangoni效應(yīng)對傳質(zhì)效率的影響. Abled12]、從式(4)可以大致估計停留時間變化對增強(qiáng)Mendes- tatsis3、LeC41等則在一些液液萃取系統(tǒng)因子影響加團(tuán)幾年示.從圖中可以看出中,通過加入表面活性劑誘導(dǎo) Marangoni對流產(chǎn)由于開方關(guān)系,當(dāng)界面生,從而達(dá)到促進(jìn)傳質(zhì)的目的.因此對界面CNMMara不停留時間縮小至原來Marangoni湍動的傳質(zhì)動力學(xué)進(jìn)行研究以了解其對傳質(zhì)過程的影響,從而利用其效應(yīng)以增強(qiáng)傳質(zhì)過的\傳質(zhì)系數(shù)將增強(qiáng)5倍.由于文獻(xiàn)報道的F程,有著現(xiàn)實的意義.在本文對伴有 Marangoni效值大多在2~10之間,因此從停留時間變化的角應(yīng)的傳質(zhì)動力學(xué)探討中,盡管以氣液相際傳質(zhì)為度來看,顯然應(yīng)用溶質(zhì)滲透理論考察伴有1520化學(xué)報2003年11月102傳質(zhì) Sherwood數(shù)和Mcrangon86420的連續(xù)指數(shù)關(guān)聯(lián)當(dāng)傳質(zhì)過程中伴有 Marangoni效應(yīng)時,界面Marangoni湍動液體單元的運(yùn)動和傳質(zhì)狀況可以用圖3表示.圖3a)表示的是有序的 Marangoni對流結(jié)構(gòu),其特征尺寸為L,界面湍動流體單元表面停Fig 2 Relationship between enhancement factor留時間為T.由于主體的湍動與傳質(zhì)的不均勻性,F and ratio of residence time加之界面湍動發(fā)生時各界面湍動單元的相互作用Marangoni效應(yīng)的相際傳質(zhì)時應(yīng)該將界面 Marangoni界面處往往不能形成完整的有序?qū)α鹘Y(jié)構(gòu),此時界湍動單元作為相際傳質(zhì)過程中的非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)單元,面的 Marangoni湍動對流結(jié)構(gòu)是無序的,可以用圖同時應(yīng)將r2作為真正的表面停留時間3(b)近似描述.在無序的 Marangoni對流結(jié)構(gòu)中如果 Marangoni湍動單元的表面停留時間r2大其特征尺寸為l,停留時間為t,此時Aa為界面湍于主體流體單元界面停留時間r1,則溶質(zhì)滲透理動的推動力—表面張力差,U,為界面流體運(yùn)動論所依賴的停留時間即為主體液體單元界面停留時速度,j為傳質(zhì)通量. Marangoni流動在垂直于界間τ1·事實上,對于極短時間接觸的氣液、液液面平面內(nèi)表征為液體的循環(huán)流動,對于這種界面下傳質(zhì)系統(tǒng),并未觀察到傳質(zhì)速率的波動及的循環(huán)流動有序和無序?qū)α鹘Y(jié)構(gòu)是類似的,但是特Marangoni效應(yīng)的影響,許多學(xué)者曾使用層流射流征尺寸有差別校核滲透理論.對于氣體吸收及射流與周圍液體之間的傳質(zhì),滲透理論幾乎是完全精確的6].對于interface界面湍動來說,它需要一定的時間來表征自己;當(dāng)liquid停留時間極短時,界面液體單元即使處于超過Marangoni效應(yīng)臨界點的傳質(zhì)條件下,但在湍動未來得及發(fā)生時即返回流體主體混合,因此不能表征Schematic diagram of界面湍動對傳質(zhì)速率的影響terfacial Marangoni turbulence如果 Marangoni湍動流體單元的表面停留時間r2小于主體流體單元界面停留時間r1,則真實的因為無序的 Marangoni對流結(jié)構(gòu)代表了在大多數(shù)傳質(zhì)操作中岀現(xiàn)的對流結(jié)構(gòu),因此首先將其作為表面停留時間應(yīng)為湍動單元的表面停留時間r2而不是r1,即不能忽略界面 Marangoni湍動對傳質(zhì)速考察對象.在確定的傳質(zhì)推動力和流體運(yùn)動狀態(tài)下,可以使用非線性理論首先得到近似的有序?qū)α髀实挠绊懡Y(jié)構(gòu)流動狀態(tài),即可以確定其特征尺寸L和界面湍對于完整的界面?zhèn)髻|(zhì)狀況,可用聯(lián)立動量、質(zhì)動液體單元表面停留時間T,并且為常數(shù).無序量傳遞方程的 Navier-Stokes方程加之適當(dāng)?shù)倪吔鐥l對流結(jié)構(gòu)同有序結(jié)構(gòu)的不同之處是其特件表述;而傳統(tǒng)的傳質(zhì)滲透理論僅僅考慮質(zhì)量傳遞征尺寸的減少及停留時間的變化,由于無法得到詳方程,沒有考慮流體界面運(yùn)動的影響,從而限制了盡的統(tǒng)計信息,可將l、t視為統(tǒng)計平均值,也為其應(yīng)用范圍. Marangoni效應(yīng)促進(jìn)傳質(zhì)的實例表明常數(shù),且t
-
C4烯烴制丙烯催化劑 2020-08-30
-
煤基聚乙醇酸技術(shù)進(jìn)展 2020-08-30
-
生物質(zhì)能的應(yīng)用工程 2020-08-30
-
我國甲醇工業(yè)現(xiàn)狀 2020-08-30
-
石油化工設(shè)備腐蝕與防護(hù)參考書十本免費(fèi)下載,絕版珍藏 2020-08-30
-
四噴嘴水煤漿氣化爐工業(yè)應(yīng)用情況簡介 2020-08-30
-
Lurgi和ICI低壓甲醇合成工藝比較 2020-08-30
-
甲醇制芳烴研究進(jìn)展 2020-08-30
-
精甲醇及MTO級甲醇精餾工藝技術(shù)進(jìn)展 2020-08-30






