气液传质过程中界面对流的研究

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在许多化工相际传质过程中,由于相界面处的流体物性的改变,会产生由密度梯度驱动的Rayleigh对流和界面张力梯度驱动的Marangoni对流。这两种界面对流的发生能够加强相际传质过程,故深入研究界面对流现象对吸收、解吸、萃取和精馏等传质分离过程具有重要意义。文中建立了一套气液传质装置和一套纹影系统,在垂直于界面方向上考察了乙醇吸收和解吸CO2传质过程中产生的Rayleigh和Marangoni对流,观察到了界面对流的整个发展与演化过程。纹影观察的结果表明吸收和解吸传质过程都经历分子扩散为主导和对流扩散为主导的两个传质阶段。吸收过程中界面在传质初期较为平稳,在密度梯度达到一定程度时,界面失稳,形成小的Rayleigh对流。这种小尺度对流在向下发展的同时,也具有水平的运动趋势,使得小Rayleigh对流汇聚成较大的对流,且逐渐形成向下发展的羽状对流结构,并在传质后期变为混沌结构;解吸过程中界面在传质初期较为平稳,在界面张力梯度达到一定程度时,界面失稳,逐渐形成均匀分布的漩涡状的对流结构,并随时间聚合发展变大,但由于浮力效应的存在,其界面对流一直在近界面处发展与演化。此外还利用定量纹影原理考察了传质过程中的浓度分布以及传质速率等信息。定量的结果表明吸收和解吸传质过程的传质速率在分子扩散阶段非常缓慢,进入对流扩散阶段后,传质速率先增大后降低。吸收过程中较大的密度梯度位于Rayleigh对流的下端,驱动着对流的向下发展运动,造成了Rayleigh对流底端中心处浓度大的浓度分布。解吸过程的定量结果表明较大的界面张力梯度位于对流胞型的边缘和中心处,驱动着界面流体的运动,并耦合浮力效应,形成了近界面环流的运动形式。这种环流运动造成了对流胞型边缘浓度较大,内部浓度小的分布,促进了相界面流体微元的更新,加强了传质过程。
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