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3.4 不同流態下氣-液傳質有效比相界面積a的變化

不同流型下的氣液兩相相互作用強度不同,導致氣液傳質效率不同,為了驗證射流流型劃分的科學性以及揭示氣液傳質機理,本研究采取化學吸收法(CO2-NaOH體系)測定了不同射流流型下的有效比相界面積a,結果如圖3.5所示。

圖3.5 WSA有效比相界面積a變化

由圖3.5可知,當液相流速較低(2.65m·s-1uL≤ 7.07m·s-1)時,a值并不隨著氣體流速的不斷增加而增加,而是當氣體流速到了一定的值(ug=18~22m·s-1)時,隨著氣體流速的增加a反而降低,且此時射流流速對a值影響較小。對照流型圖可知,此時射流流型主要為貼壁霧化旋線射流或低流速下的霧化旋線射流。這可能是因為當射流流速較低時,進口氣速增大,射流由穩態射流轉變為霧化射流,射流柱中的液體以小霧狀液滴的形式分散在氣流場中,使a值增大。但是由于射流柱流速較低,其強度和慣性力較小,當繼續增大氣體流速時,氣體旋流場的離心分離作用也隨之增強,反而會使得射流霧狀液滴之間碰撞頻率增大,生成較大液滴,并在離心力作用下加速向WSA的主筒體壁上運動,壓縮了氣液充分作用空間,甚至發生了貼壁霧化射流現象(uL≤ 4.42m·s-1時)。因此,雖然氣液霧化程度有所增加,但霧狀液滴碰撞凝聚和加速向壁面運動,反而可能造成a值的降低。

當射流流速較高(uL≥8.84m·s-1)時,隨著進口氣速不斷增加,比傳質面積a值迅速增大,但進口氣速ug繼續增大并超過22m·s-1,也出現a值降低或增大趨于緩慢的情況。這可能是由于在較高的射流流速下,射流柱的強度和射流慣性力很大,增大進口氣速,會加劇氣液兩相作用,射流霧化程度不斷增加,此時比傳質面積比低流速下的值大得多。但是,過大的進氣流速也使得射流霧狀液滴之間碰撞頻率增大,生成較大液滴,并在離心力作用下加速向WSA的主筒體壁上運動,造成a值降低或增大趨緩的現象。

由射流流型變化圖以及有效比相界面積圖可知,射流流型的變化必然伴隨著相間傳質面積的相應變化,兩者具有較好的對應關系。在高射流流速(uL≥8.84m·s-1)下,由圖3.3可知,此時液相射流主要為穩態射流和破碎旋線射流(占總流型區域面積80%以上),但測定的a值卻高于低流速下(uL<8.84m·s-1)的相應值,宏觀上直接觀察的穩態和破碎射流流態,實際微觀上可能早有部分射流柱已經被霧化。射流流速和進口氣速對a值的影響很大,兩者之間的耦合作用影響著射流流態和氣液傳質效率,對WSA的操作有指導作用。WSA適宜在較高射流流速(≥8.84m·s-1)以及霧化射流流態下進行操作,以獲得較高的氣-液傳質效率。

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