甲苯在氣液界面表面微層中遷移變化的數值模擬研究

趙彥琳 金陶勝

摘要 [目的]研究甲苯在氣液界面表面微層中的遷移變化規律。[方法]使用計算流體力學（CFD）軟件對表面微層中甲苯氣體的遷移變化進行數值模擬，通過對液相流速、氣相流速、氣相濃度的模擬比較，討論不同條件下的甲苯氣體遷移變化規律。[結果]液相流速的增大，影響表面微層的形成，從而減小了氣體的遷移通量；氣相流速的增大，提高了氣體的遷移通量，同時縮短了達到傳質平衡的時間；在吸收開始的最初階段，氣相濃度越高，表面微層中氣體的吸收也越快，隨著時間的變化，對氣體的吸收效率逐漸下降。[結論]研究所獲得的成果將有助于認識有機污染物在有機氣-液界面的遷移機理。

關鍵詞 甲苯；氣液界面；表面微層；遷移變化；數值模擬

中圖分類號 S181.3 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2014）20-06646-04

Study on the Numerical Simulation of the Migration Variation of Toluene in the Surface Microlayer of the Gasliquid Interface

ZHAO Yanlin et al

（Yangling Vocational & Technical College，Yangling， Shaanxi 712100）

Abstract [Objective] The research aimed to study the migration variation of toluene in the surface microlayer of the gasliquid interface. [Method] A kind of CFD （Computational Fluid Dynamics） software was used to simulate the migration variation of toluene in the surface microlayer. Trough the simulation and comparison of the liquid flow rate， gas flow rate and concentration of gas phase，the migration variation of toluene under different conditions were discussed.[Result] Higher flow rate of liquid phase would slow down the formation of the surface microlayer and the transfer flux would decrease obviously. Higher flow rate of gas phase could shorten the time of reaching transfer balance， at the same time， the transfer flux would increase. At the beginning of the absorption， higher concentration of gas phase can accelerate the absorption of toluene in the surface microlayer. With the time changing， the concentration of toluene reached steady state. [Conclusion] The study is helpful to understand the migration mechanism of the organic pollutant in the surface microlayer of the gasliquid interface.

Key words Toluene；Gasliquid interface；Surface microlayer；Transfer variation；Numerical simulation

大部分的有機廢氣毒性大，可經人體呼吸道、皮膚和消化道吸收，長期暴露在有機空氣中會給人體造成巨大的傷害[1]。因此，對有機廢氣的控制處理研究有至關重要的意義。目前國內常見的處理方法為吸收法[2]，即利用液體吸收劑對有機廢氣的選擇性吸收或反應，進而達到去除廢氣的最終目的。經研究發現這種吸收作用主要發生在氣液界面處的表面微層中，而長久以來，國內外學者針對氣液界面表面微層的研究多為水體界面[3-5]，對于有機液面的研究鮮有報道。另外，由于表面微層的厚度通常只有幾十微米到幾百微米之間[6]，常規的實驗室很難達到相應的實驗操作條件，因此，筆者擬針對典型的甲苯吸收液進行表面微層的性質研究，用數值模擬的方法分析在該表面微層內甲苯的濃度變化以及影響該濃度變化的因素，以便有助于認識有機污染物在有機氣-液界面的遷移機理。

1 模型的建立

1.1 模型基本假設

基于吸收液對吸收質的物理吸收過程，對模型作如下假設：①氣體吸收操作過程為穩態，且液體不可壓縮，即液體密度不隨溫度和濃度的變化而變化；②僅僅氣相中的吸收質組分被吸收液吸收，吸收液中的成分不向氣相中傳遞；③忽略氣相與液相間熱量傳遞；④氣體吸收過程是絕熱的，即吸收容器與環境之間沒有熱量交換。

1.2 吸收傳質模型的選擇

為了更貼近現實操作，該研究利用多相流模型和物質傳輸模型以及軟件提供的用戶自定義接口UDF，對甲苯氣體在表面微層中的遷移變化進行模擬，以達到試驗研究的目的。

1.3 幾何模型的構建

為了通過數值模擬考察氣液兩相吸收的傳質過程，將吸收容器簡化為如圖1所示的二維結構，模型尺寸為長20 cm、寬10 cm。其中上層為氣相主體，下層為液相主體，每相寬分別為5 cm，兩相的交界處即為氣液交界面，其中左側分別為氣體、液體速度入口，右側分別為氣體、液體壓力出口。構建好模型后需要對模型進行網格劃分，網格長度為0.2 cm，共劃分5 000個網格（圖2）。同時，由于要對表面微層作著重研究，因此在氣液交界面處增加邊界層網格，起到網格加密的作用，使氣液界面處的模擬研究更加準確精密。其中第一層邊界層距氣液交界面距離為10 μm，增長系數Growth factor設為1.1，共畫出25層邊界層，整個邊界層厚度約為1 mm（圖3）。

1.4 邊界條件及其他參數設定

氣體和液體入口均設為

速度入口（velocityinlet）；氣體和液體出口均設為壓力出口

（pressureoutlet）；氣液交界面屬性設為wall；湍流模型選用k-ε模型，非穩態unsteady過程；設置錄像功能，記錄不同時間內甲苯的傳質變化；氣相主體材料為甲苯和空氣的混合物，其中甲苯的質量分數為10%；液相主體材料為甲苯和吸收溶劑的混合物，假設初始狀態時，甲苯的質量分數為0。

2 結果與分析

設置氣相進口速度為0.1 m/s，液相進口速度為0.01 m/s，氣液分配系數為2，在模型模擬過程中設定觀看錄像功能Animate。模擬結果發現，到12 s時傳質過程達到平衡狀態，且在傳質過程中，液相中（深度為0～5 cm）甲苯的濃度呈分層分布（圖4）。其中，達到甲苯傳質平衡時（12 s時），距離模型左側進口約15～18 cm處表面微層中（小于500 μm）

的濃度分布變化如圖5所示。從圖5可以看出，表面微層中也存在明顯的分層現象，且越接近界面處，甲苯質量分數濃度越大，即在表面微層中，甲苯具有明顯的富集現象，因此也可以將甲苯質量分數濃度差看成其積累遷移的主要動力。影響表面微層中甲苯遷移的因素可能包括氣相、液相近界面處的湍動程度以及氣液質量分配系數等，對于湍動程度的模擬可以通過改變液相流速和氣相流速實現。取表面微層中一固定縱剖面為研究對象，假設以模型左下角點為原點（0，0），則取（0.18 m，h）縱剖面研究對象，其中深度h分別取值10、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 μm。

圖5 表面微層中甲苯的質量分數等值線

2.1 液相流速的影響

分別設定液相流速為0.005、0.010、0.020、0.030 m/s（氣相流速不變，仍為0.1 m/s，氣液分配系數為2），得到不同深度甲苯的質量分數變化（圖6）。從圖6可以看出，隨著流速的增大，甲苯的質量分數逐漸減小，這是因為流速較大時，液相近表面處湍動程度較大，影響了液膜即表面微層的形成，從而導致遷移通量的減小；相反，液相流速較低時，甲苯在表面微層中的遷移通量較大，可以理解為甲苯此時在表面微層中得到了充分的吸收，有利于甲苯的去除。另外，甲苯質量分數在表面微層中隨深度呈明顯的線性關系，且擬合結果非常好，對于液相速度為0.005、0.010、0.020、0.030 m/s時甲苯隨深度的變化率分別為-9.239 46×10-10、-9.665 52×10-10、-1.241 27×10-9、-1.426 13×10-9，可見流速為0.030 m/s時甲苯質量分數隨深度的變化較大，即可認為其在液相中的擴散速率較大，同理，流速為0.020、0.010 m/s時，擴散速率逐漸減小，流速為0.005 m/s時擴散速率最小。這是因為流速較大時，液相的湍動程度較大，進而可以理解為物質擴散的推動力較大，從而加快了甲苯向下的的擴散速率。此外，液相流速的增加可以看成是液相吸收液流量的增大，即單位體積的液相吸收劑單位時間內吸收的甲苯的量減小了，增大了液相中的濃度梯度，使傳質過程向著更有利于擴散的方向發展。

圖6 不同深度甲苯的質量分數變化

綜上考慮，液相流速增大時，液相中甲苯的擴散速率較大，但同時影響了液膜即表面微層的形成，從而減小了甲苯的遷移通量，因此，要綜合考慮這兩方面的影響因素，選擇較為合適的液相流速，進而達到最好的吸收傳質效果。

2.2 氣相流速的影響

分別設置氣相流速為0.05、0.10、0.20、0.30 m/s，設定液相進口流速為0.01 m/s，氣液分配系數為2，進行模擬運算，結果發現，當流速為0.05 m/s時，達到迭代收斂需要21 s；流速為0.10 m/s時，達到迭代收斂需要12 s；流速為0.20 m/s時，需要9 s；流速為0.30 m/s時，僅需要6 s即可達到迭代收斂。可見，隨著氣相流速的增大，迭代收斂加快，即從模擬運算角度來看，氣相流速越大，達到氣液平衡越快，即氣相流速的增大，縮短了甲苯分子傳遞至界面的時間，進而加快了整個吸收過程達到傳質平衡。這是因為流動的氣相通過對氣液界面直接的剪切作用以及因此產生的表面波的破碎等，造成較明顯的湍流現象，進而增強了氣相傳輸速度。從雙膜理論方面考慮，氣相流速的增大可以使氣相薄膜厚度變薄，使其氣相阻力減小，因而甲苯分子可以較快的傳遞至氣液交界面。從不同流速下的甲苯質量分數值（圖7）可以看出，流速較大時，表面微層中甲苯的含量值較高，隨著氣相流速的減小，甲苯的質量分數也明顯降低。

圖7 不同氣相流速甲苯的質量分數變化趨勢

綜上考慮，氣相流速的增大增加了甲苯的遷移通量，同時縮短了達到氣液平衡的時間，因此，在條件允許的情況下，可以適當加大氣相流速，來提高氣液吸收效果。

2.3 氣相濃度對甲苯遷移的影響

關于進口氣相濃度對甲苯在氣液界面遷移的影響，筆者考慮甲苯進口質量濃度分別為1 000、4 000、8 000 mg/m3，同時假設氣相進口流速為0.10 m/s，液相進口流速為0.01 m/s，氣液分配系數為2保持不變，取液相深度為100 μm處的界面為研究對象，模擬結果顯示，在初始階段，不同進口氣相濃度下，甲苯的吸收效率增長均很快，其中8 000 mg/m3的情況最為明顯，即氣相濃度越高，甲苯的吸收效率越高（圖8）。

隨著時間的推移，甲苯的吸收效率逐漸下降，這與液相吸收劑對甲苯的吸收容量有關，另外，氣相濃度的增加同時又會造成氣相阻力層變厚，傳質阻力增大，因此傳質會向著不利于吸收的方向發展。

喬運娟也對甲苯進氣濃度對吸收效果的影響進行了研究[7]，

圖8 1～4 s時不同氣相濃度下甲苯質量分數濃度

圖9 不同進氣濃度對吸收效率的影響

從圖9可以看出，吸收開始30 min之前，進氣濃度越高，吸收效率越高，這與該研究所模擬的結果較為相似；而30 min之后，甲苯的吸收效率出現明顯降低，但濃度為1 000 mg/m3的情況下，吸收效率的改變比較平緩，吸收效果比較穩定。但在該研究模擬結果中，隨著時間的變化，不同濃度值下吸收效率的變化趨勢是相似的。出現這種差異的原因主要是喬運娟在試驗過程中，添加了乳化劑，達到一定吸收程度后，氣相濃度越大，對甲苯的吸收抑制作用也就越大，因此會出現吸收效率下降情況的不同，而該研究的模擬僅考慮了較為理想的物理吸收過程，并沒有考慮其他影響因素，如化學反應、周圍環境條件等，這為之后的進一步研究和工作提供了思路。

3 結論

通過流體力學計算軟件，構建適合該試驗的物理模型，研究了表面微層中甲苯的遷移規律，分析了液相流速、氣相流速對其的影響，主要研究結果如下。

（1）液相流速對表面微層中甲苯遷移變化的影響主要表現為當流速增大時，液相中甲苯的擴散速率隨之增大，但同時影響了液膜即表面微層的形成，從而減小了甲苯的遷移通量，因此，要綜合考慮這兩方面的影響因素，選擇較為合適的液相流速，進而達到最好的吸收傳質效果。

（2）氣相流速的增大加快了甲苯分子到達氣液界面，縮短了達到氣液平衡的時間，同時增加了甲苯的遷移通量，因此，在條件允許的情況下，可以適當加大氣相流速，來提高氣液吸收效果。

（3）在吸收開始的最初階段，氣相濃度越高，表面微層中甲苯的吸收效率增長速度也越快，隨著時間的變化，甲苯的吸收效率出現下降。

參考文獻

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[7] 喬運娟.液膜法吸收有機廢氣試驗研究[D].杭州： 浙江大學，2008.