3.1　流型觀察系統構建及測試方法

3.1.1　WSA裝置與實驗流程

實驗中WSA參照傳統旋風分離器尺寸比例設計，由主筒體、封頭和中心排氣管組成，筒體和封頭采用法蘭連接。WSA主筒體內徑D為70mm，筒體長H=4D，為280mm，WSA的中心排氣管直徑d為 40mm，其插入WSA筒體長度h=2D，為140mm。封頭采用常規旋風分離器螺旋進口封頭，其進口尺寸為25mm×25mm。為了便于觀察實驗流型，WSA制作成單噴孔無夾套結構，噴孔位于主筒體上，直徑為2mm，距離旋風進口中心垂直距離為90mm。實驗系統由WSA、液體貯槽、液體循環泵、風機、篩板式氣液分離器及系統測試配套的氣、液流量計和U形壓差計等組成，如圖3.1所示。其中，WSA主筒體、儲液槽和氣液分離器均采用透明的有機玻璃制成，便于觀察實驗現象。

3.1.2　WSA液相射流流型觀察

WSA裝置和實驗流程如圖3.1所示，實驗時打開閥門2-3，采取循環流動式操作，以5mg·L^-1的甲基橙為液相流動介質，進行流型觀察實驗。首先將甲基橙溶液倒入水槽中，開啟液泵，循環液通過WSA主筒體上的2mm噴孔向中心氣管產生穩態射流。開啟風機，讓氣流經過氣體流量計和管道，從WSA的螺旋封頭進口切向進入WSA中，然后氣流螺旋向下運動，在WSA主筒體內實現液體射流場和空氣旋流場耦合作用。液相由WSA主筒體下方管路流回儲液槽7-1；空氣通過反向渦旋作用，由中心排氣管排出。實驗時，通過閥門改變進氣速度和射流流速，觀察不同流速下射流流型隨進口氣速的變化，并記錄射流流型轉化的臨界氣液流速，每次實驗重復3次，結果為3次實驗的平均值。

3.1.3　WSA有效比相界面積a的測定

本實驗采用化學法（CO₂-NaOH體系）測定WSA內氣液相間傳質面積。實驗時，關閉閥門2-3，進行單向液循環。首先配制3mol·L^-1的NaOH溶液，將其倒入儲液槽7-1中，開啟循環液泵，堿液經噴孔噴射后由WSA主筒體底部管道排出至儲液槽7-2中。液相循環1～2min后，開啟風機和CO₂鋼瓶閥門，空氣和CO₂在管道中混合后從WSA頂部切向進入，產生強烈的旋流氣流，撞擊徑向射流液柱，并向下做螺旋運動，經過氣液兩相相互作用后，氣體從WSA的中心排氣管排出，吸收液流入儲液槽7-2，保證堿液為單程循環吸收。氣流中CO₂的濃度采用O₂、CO₂氣體測定儀（CYES-Ⅱ型）測定；液體的黏度利用烏氏黏度計測得，液相中NaOH及Na₂CO₃的濃度采用雙指示劑法測定。實驗過程中，操作溫度為19～22℃，進口氣體中CO₂的體積分數控制為1.5%，所有條件下的實驗至少重復2次。

有研究表明，當NaOH溶液濃度為0.5～4mol/L，CO₂體積分數為1.5%～5%時，兩者之間的反應可以認為是快速擬一級化學反應，所以WSA中氣-液兩相之間有效比相界面積可表示為：

　　（3.1）

式中，A、V_p分別為傳質面積和傳質體積，本研究以WSA的內管與中心氣升管之間環隙的體積作為傳質體積，V_p= 4.79×10^-4 m³；G_A為CO₂化學吸收速率，mol·s^-1，可通過Na₂CO₃生成速率得到；H為CO₂的溶解度系數，本實驗中約為1.47×10^-7 kmol·m^-3·Pa^-1；D為CO₂在水溶液中的擴散系數，本實驗條件下約為8.30×10^-10m²·s^-1；p為CO₂的分壓，Pa。k₁為擬一級反應速率常數，s^-1，可通過下式進行計算：

　　（3.2）

其中：I為離子強度，kmol·m^-3，；c_i為溶液中離子濃度，kmol·m^-3；z_i為溶液中離子價數；為OH^-在溶液中的濃度，kmol·m^-3；k₂為CO₂與NaOH二級反應速率常數，m³·kmol^-1·s^-1；T為液相主體的溫度，本實驗中，T=292～295K；為CO₂在無限稀釋NaOH溶液中的反應速率常數，約為18560m³·kmol^-1·s^-1。