李 靜

（陽(yáng)煤集團(tuán)太原化工新材料有限公司,山西 太原 030000）

引 言

化工過程的強(qiáng)化主要是通過提高傳質(zhì)效率和減小傳質(zhì)阻力兩個(gè)方面［1］,強(qiáng)化氣液主要是為了能夠工業(yè)生產(chǎn)高效低耗化。就目前研究現(xiàn)狀看,主要方法有：一改進(jìn)設(shè)備結(jié)構(gòu),板式塔和填料塔目前應(yīng)用比較廣泛；二通過引入質(zhì)量分離劑,創(chuàng)新有效的分離技術(shù)［2］；三引入第二能量分離劑（如,超聲、重力場(chǎng)等）。

氣液傳質(zhì)過程指在系統(tǒng)中氣體和液體間傳遞的過程,由于物質(zhì)濃度的差異,發(fā)生了吸收或者解吸過程,同時(shí),液相的某些物化性質(zhì)發(fā)生了變化,如,黏度、表面張力等,而這些氣液界面的不穩(wěn)定導(dǎo)致了界面對(duì)流過程,這種對(duì)流過程對(duì)氣液傳質(zhì)過程有一定的增強(qiáng)作用［3－5］。研究表明,界面對(duì)流對(duì)于實(shí)際化工過程中的氣液傳質(zhì)具有重要的意義。通過在體系中加入產(chǎn)生特定作用的第三組分,研究其對(duì)氣液傳質(zhì)過程的影響。

1 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)

1.1 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)過程的研究進(jìn)展

液體表面張力是控制界面?zhèn)髻|(zhì)的重要參數(shù),表面張力的變化會(huì)導(dǎo)致界面不穩(wěn)定,在一些條件下會(huì)引發(fā)近界面液體的對(duì)流現(xiàn)象,即 Marangoni對(duì)流。表面活性劑引起表面張力變化,同時(shí)調(diào)高氣泡在液相中的分散性,從而增加氣液傳質(zhì)系數(shù)。

Gomez－Diaz等［6］以 H2O－CO2為對(duì)象,鼓泡塔作為反應(yīng)設(shè)備,十烷基三甲基溴化銨（DTABr）作為表面活性劑,探討了活性劑對(duì)氣液傳質(zhì)過程的影響,發(fā)現(xiàn),隨著DTABr的增大,總傳質(zhì)系數(shù)KL先增大后下降明顯,在活性劑較低濃度處會(huì)出現(xiàn)一個(gè)最大值。實(shí)驗(yàn)表明,表面活性劑的分子結(jié)構(gòu)對(duì)氣液傳質(zhì)過程產(chǎn)生重要的影響［7］：短鏈的烷基表面活性劑對(duì)傳質(zhì)過程起到促進(jìn)作用。反之,長(zhǎng)鏈則會(huì)起到抑制作用,中等長(zhǎng)度鏈在濃度較低時(shí)會(huì)起到促進(jìn)作用,在高濃度時(shí)則會(huì)起到抑制作用。這說明表面活性劑的濃度對(duì)于氣液傳質(zhì)有很大的影響,在界面調(diào)控時(shí)應(yīng)給予考慮。

孫健等［8］以溴化鋰溶液吸收水蒸氣為例,對(duì)加入表面活性劑后強(qiáng)化的過程進(jìn)行了研究,分析了氣液兩相以及固液兩相界面的變化過程。作者認(rèn)為,吸收時(shí)表面活性分子在氣液界面分布不均衡,會(huì)產(chǎn)生表面張力梯度,使得傳質(zhì)強(qiáng)化。Wu等［9］以三甘醇和二甘醇溶液中添加低表面活性劑乙醇為研究對(duì)象,分析了強(qiáng)化水蒸氣吸收的過程。作者分析認(rèn)為,加入乙醇后,會(huì)產(chǎn)生表面張力梯度,同時(shí)界面對(duì)流,氣液界面更新速度加快,氣液傳質(zhì)得到強(qiáng)化。

1.2 表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的機(jī)理探究

表面活性劑的加入,一方面,會(huì)降低溶液的表面張力,會(huì)導(dǎo)致相鄰氣泡的壓差小,小泡并入大泡的速度慢,氣泡的穩(wěn)定性就會(huì)好一些；另一方面,吸附了促傳劑的液膜會(huì)受到氣流的沖擊、振動(dòng)或形成泡膜的液體受重力作用而排液時(shí),泡膜能產(chǎn)生彈性恢復(fù)力,維持氣泡自身的穩(wěn)定。這樣促傳劑的加入抑制了氣泡的破滅和合并,從而使氣泡直徑小、形狀規(guī)則均勻,總的表面積大,上升速度慢,穩(wěn)定性強(qiáng),增大氣液接觸面積,延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間而增強(qiáng)傳質(zhì)。

研究發(fā)現(xiàn),有時(shí)表面活性劑的加入不但沒有起到強(qiáng)化的效果,反而會(huì)帶來抑制的效果。Painmanakul等［10］研究了在自來水中加入少量的表面活性劑對(duì)氧氣傳質(zhì)過程的影響。研究發(fā)現(xiàn),陽(yáng)離子或陰離子表面活性劑都會(huì)使液相傳質(zhì)系數(shù)KL減小,會(huì)在液體表面形成一層表面活性劑分子膜,導(dǎo)致表面運(yùn)動(dòng)減弱。Hebrard等［11］考察了在攪拌釜中添加表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SLS）后,氧氣在水中傳質(zhì)系數(shù)的變化情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,隨著SLS濃度的增大,傳質(zhì)系數(shù)不斷減小,直到濃度達(dá)到SLS的臨界膠束濃度之后,傳質(zhì)系數(shù)降為恒定值。作者認(rèn)為,在氣液界面形成了一個(gè)富含表面活性劑分子的液層,此液層導(dǎo)致了氧氣的擴(kuò)散系數(shù)減小,使液相傳質(zhì)系數(shù)降低。

2 增大液體黏度對(duì)氣液傳質(zhì)的影響

黏度是流體運(yùn)動(dòng)時(shí)剪切力與剪切速度梯度的比值,是流體的一種屬性。黏度對(duì)流體流動(dòng)狀態(tài)影響很大,同時(shí)也影響到傳質(zhì)過程。而氣液接觸面積主要取決于反應(yīng)器內(nèi)平均氣含率與氣泡尺寸的分布［12］?；跉馀菪再|(zhì)對(duì)氣液行為和液體循環(huán)速度的重要影響,研究反應(yīng)器內(nèi)氣含率和氣泡尺寸分布等氣泡性質(zhì),對(duì)于傳質(zhì)行為非常重要,而黏度對(duì)于氣含率和氣泡尺寸都有很重要的影響。

一方面是黏度對(duì)氣含率的影響。楊志生等［13］在水中加入微量樹脂（＜2%）后發(fā)現(xiàn),液相的物理性質(zhì)幾乎沒有變化,而氣含率隨液相黏度的增加而下降。作者分析認(rèn)為,液相黏度增大,使小氣泡匯合成大氣泡的機(jī)率增加,導(dǎo)致氣泡分散困難,氣含率下降。Wei等［14］對(duì)氣升式反應(yīng)器的研究中發(fā)現(xiàn)了同樣的規(guī)律：隨著黏度的增加,氣泡聚并加劇,氣含率下降。

另一個(gè)方面是黏度對(duì)于氣泡直徑的影響。黏度對(duì)單孔氣泡直徑的影響早有研究：在1929年,Schnurmann就將多孔陶瓷和碳濾器浸入到大量溶液中（包括酒精、酸溶液、糖水和特定的電介質(zhì)溶液中）,研究液相黏度對(duì)氣泡直徑的影響。結(jié)果表明,液相黏度確實(shí)是影響氣泡直徑的主要因素之一。Ramakrishnan和 Kumar［15－16］認(rèn) 為,隨 著 黏 度 的 增加,氣泡直徑增大；液相表面張力和孔徑都較小時(shí),黏度對(duì)氣泡直徑影響較大。

童川等［17］研究了液體黏度對(duì)于CO2吸收塔規(guī)整填料傳質(zhì)性能的影響,通過向液相中加入甘油使得液相黏度由0.001 0Pa·s增加至0.002 5Pa·s,利用這個(gè)體系在填料塔中測(cè)量金屬板波紋規(guī)整填料在不同操作條件下的有效傳質(zhì)面積。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,黏度的改變會(huì)直接影響到填料在同等條件下的有效傳質(zhì)面積,具體表現(xiàn)為,當(dāng)氣速相流速較低時(shí),在高黏度體系傳質(zhì)面積降低。作者分析認(rèn)為,體系黏度的增加會(huì)阻礙液體在填料表面的鋪展,從而降低了氣液的接觸面積。

黏度主要是通過影響氣泡的合并來對(duì)氣液傳質(zhì)效果產(chǎn)生影響,增大液相的黏度,會(huì)使氣泡聚并加劇,導(dǎo)致傳質(zhì)效率的降低。

3 總結(jié)

1）氣液傳質(zhì)過程是個(gè)看似簡(jiǎn)單,實(shí)質(zhì)非常復(fù)雜的過程,表面張力對(duì)傳質(zhì)的影響顯著大于黏度、擴(kuò)散系數(shù)等其他物性。通過于液相中添加低表面活性物質(zhì)會(huì)引起傳質(zhì)界面產(chǎn)生湍動(dòng)效應(yīng),這種效應(yīng)會(huì)使緊貼界面兩側(cè)的氣、液體產(chǎn)生對(duì)流,降低傳質(zhì)阻力,提高傳質(zhì)效率。目前研究的表面活性劑強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的過程大多數(shù)應(yīng)用在氣液接觸時(shí)間長(zhǎng),氣液對(duì)流發(fā)生在相對(duì)緩慢的過程,只有這樣,改變的界面張力才有可能成為影響傳質(zhì)過程的一個(gè)因素。

2）超重力技術(shù)是一種新型的化工過程強(qiáng)化技術(shù)［18－19］,通過旋轉(zhuǎn)填料床實(shí)現(xiàn),旋轉(zhuǎn)填料床最大的優(yōu)勢(shì)就是將液體通過高速旋轉(zhuǎn)將其切割成較薄的液膜和較小的液滴,由于旋轉(zhuǎn)填料床的高速旋轉(zhuǎn),使得液體在填料中以極小的液滴、液膜和液絲存在,氣液接觸良好,表面更新速率非?？?在旋轉(zhuǎn)填料床中加入的表面活性劑引起的表面湍動(dòng)和界面對(duì)流對(duì)于氣液傳質(zhì)的過程影響較弱,效果不明顯,需要深入探究。

3）目前對(duì)于在液相中加入表面活性劑和增稠劑的研究都是在氣液對(duì)流比較溫和的過程,研究表明,不同的表面活性劑、不同的設(shè)備、不同的實(shí)驗(yàn)條件,表面活性劑產(chǎn)生的效果都沒有一定的規(guī)律性,并且對(duì)于氣液傳質(zhì)影響的效果不是十分顯著,研究的范圍也僅局限于吸收CO2和水蒸氣方面,需要繼續(xù)擴(kuò)大研究范圍。

4）另外,關(guān)于研究納米流體強(qiáng)化氣液傳質(zhì)有4個(gè)機(jī)理：掠過效應(yīng)、抑制氣泡聚并機(jī)理、邊界層混合機(jī)理和滲透機(jī)理。很多學(xué)者都對(duì)納米流體強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的機(jī)理進(jìn)行了深入的研究,但效果不明顯,需要深入探究。

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