动态气液相间传质极限及其应用

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传统的气液传质计算中,气液传质过程的极限是相平衡状态。以体系的组成与相平衡组成的差异作为传质的推动力,通过增加气液相的湍动程度可以加快气液两相达到相平衡的速度。相平衡状态指的是密闭空间中的气液两相在静止的状态下接触无限长时间达到的相对稳定状态。湍动的气液两相的传质极限还能用这种静态的标准进行计算么?实际生活中,常常可以观察到流动体系的传质极限偏离相平衡的现象,如,易挥发液体的“小心轻放”和晃动碳酸饮料时气体的溢出。工业生产中,常常使用增加气液湍动的方法加快气体吸收过程,而实际过程中一味增大气液湍动,并不一定有利于气体吸收的结果。因此,本文提出了湍动的气液物系所能达到的传质极限不同于相平衡状态的概念。以六个不同的单组份物系:水、乙醇、乙酸、异丙醇、正丙醇、丙酮,为研究对象。制备单组份相平衡物系,在恒温状态下,将封闭体系置于恒温水浴振荡床上,体系以一定震荡速度做水平匀速圆周运动,通过在线采集系统收集任意时刻体系压力和温度变化值。通过对不同体积、不同温度和不同转速的实验证实,单组份物系达到动态传质极限时,体系压力可以与饱和蒸汽压类比,这一数值仅与体系的对比温度和雷诺数有关。通过对不同物系实验结果的拟合得到在7000<Re<19000且0.4375<Tr<0.6951的范围内,单组份动态偏移率与对比温度和雷诺数的关系满足:r=7.4388×l0-4(Tr)2.61(Re)0.66且关联式的最大计算误差不超过10%。以CO2-H2O、 CO2-C2H5OH和CO2-C2H5OH-H2O体系为多组份物系动态气液传质极限的研究对象。在达到气液相平衡的多组份物系中,使用蠕动泵输送,使液相在循环管路中流动,通过在线采集系统记录体系任意时刻压力和温度数值。实验结果显示,多组份物系中同样存在气液动态传质极限的现象。结合单组份物系的实验结果,对不同实验条件下CO2-H2O物系的实验结果进行拟合,得到在7500<Re<42000且288.15K<T<303.15K的范围内,双组份物系动态偏移率与雷诺数和气液黏度比的关系式满足:CO2-H2O物系的拟合结果在CO2-C2H5OH和CO2-C2H5OH-H2O体系中同样适用,关联式与实验结果的最大误差均不超过10%。通过Aspen模拟证实了流体流动对气液传质极限的作用机理不同于温度。以实验体系为基础建立适合的物理模型和模型假设,通过FORTRAN程序计算不同温度、流速和管径条件下饱和溶液解吸过程中的管路空隙率,得到了温度为278.15-303.15K液相流速为1-3m/s和管路直径为10-15mm的范围内,管流解吸过程中,管路空隙率的表达式:在管路空隙率的基础上,计算得到达到动态传质极限时,体系的压力的表达式:在CO2-H2O物系中对比模型计算结果与实验结果,得到模型计算的最大误差不超过10%,模拟结果比较满意。将已经得到的动态气液传质极限的理论,应用于超重力机中MDEA吸收CO2的过程分析。可以得到,不同实验条件下,CO2的吸收率都随着超重力机转速的增大先增大后减小,说明液体湍动程度过于剧烈时,不利于CO2的吸收,一味增大超重力机转速不利于吸收过程的进行。理论分析与实验结果的一致性较好,能够很好的解释超重力机中气液吸收过程的最优转速问题。
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