氣液交叉流PM2.5捕集系統結構及降膜流動實驗研究

陳　毅　鄭志堅　朱家驊　蘭　赟

四川大學　成都　610065

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氣液交叉流PM2.5捕集系統結構及降膜流動實驗研究

陳毅*鄭志堅朱家驊蘭赟

四川大學成都610065

利用工業廢氣廢水自身的低位余能及熱力學勢差，構建內源性推動力“場”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機制，發展一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，為提高纖維繩壁面降膜的均勻性和穩定性，提出一種新型的布膜裝置。在實驗的基礎上探討了液體在纖維繩外壁降膜的流動特性，分析影響液體管外成膜均勻性和穩定性的影響因素，提出液體成膜的最佳環隙間距應控制在0.8 mm，液體流量應控制在35.2～195.7mL/min。

PM2.5氣液交叉流降膜陣列環隙間距液體流量

我國正值工業化快速發展階段，近十年影響大氣環境質量的主要因素是各種工業尾氣排放，其中PM2.5的危害最大[1-2]。PM2.5具有粒徑小、比表面積大、運動機理復雜及常規除塵設備難脫除等特點[3]。針對PM2.5治理的困難性，本課題組利用工業廢氣廢水自身的低位余能及熱力學勢差(溫差、濃差和相態變化),構建內源性推動力“場”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機制，是有前景的技術方向。為此發展了一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，見圖1。連續垂直降膜流動構成自清潔表面，作為可清潔的PM2.5吸收面[4～5]。交叉流設備高位液槽底部為規整、錯排分布的布孔器，開孔中間布滿垂直的化纖繩，構成規整的環隙通道，高位液槽中水借助自身重力沿孔隙向下流動，并在化纖繩表面形成連續均勻的液膜。

圖1　氣液交叉流PM2.5捕集系統結構

因此，纖維繩壁面處連續均勻的垂直降膜流動作為氣液交叉流陣列捕集PM2.5的吸收面至關重要，是氣液交叉流陣列捕集PM2.5的基礎前提。本文欲通過研究纖維繩壁面的液體降膜流動及流動發展導致液膜斷裂，得出壁面處能夠形成連續、均勻、穩定的液膜條件，給出氣液交叉流PM2.5捕集系統布孔器內分配環的最佳尺寸及合適的液體流量，為氣液交叉流PM2.5捕集系統提供基礎數據。

1　實驗裝置及流程

實驗流程見圖2。實驗裝置主要包括兩個部分：布膜器和測量裝置。布膜器由帶有布孔板的高位液槽和纖維支撐繩組成。實驗開啟前，首先通過流量計調節高位液槽至一定液位高度，在重力的作用下水沿著開孔與纖維繩環隙構成的分配環內垂直向下流，液體流出分配環后, 環內壁對它的阻滯作用消失，液體沿纖維繩壁下流，形成垂直下降液膜。測量裝置主要包括：高速攝像儀、液體流量計、液位計及刻度計。實驗中待高位液槽中液位高度穩定后，記錄液體體積流量，打開高速攝像儀拍攝纖維繩表面液體布膜情況，實驗中利用示蹤劑法獲得測量降膜流動的平均速度，示蹤劑為紅墨水。實驗中高位液槽布孔板采用厚度為4mm的有機玻璃，纖維繩表面未經特殊處理，具有可潤濕性。實驗采用了4種不同孔徑的布孔器和纖維繩構成液體分配環，見表1。研究液體在纖維繩壁面成膜的均勻性和穩定性。實驗過程中，布孔器、纖維繩和液位高度保持不變。

圖2　實驗流程圖

表1　分配環尺寸與環隙間距對應關系

2　實驗現象分析

2.1液位高度與液體流量

當纖維繩外徑及高位槽液位高度確定以后，分配環液體流量主要取決于環隙的間距[6]。環隙間距微小的變化就會使分配環液體流量發生顯著的變化。當纖維繩外徑及環隙的間距確定以后，增加液位槽高度，液體流量也相應增加。不同高位槽液位高度時分配環內的液體流量關系見圖3。

圖3　不同分配環下液位高度與流量關系

2.2垂直下降液膜厚度

對于1#分配環，由于1#分配環環隙間距過小，導致環隙內液體流量不足而出現干壁現象，即表面不能完全被潤濕而形成滴狀流；對于4#分配環，由于環隙間距過大，導致環隙內液體流量過大，從而液體不能沿著壁面流動而直接成股下流，很容易出現偏流現象。

分配環不同液位高度和纖維繩壁面液膜厚度的變化關系曲線見圖4。由圖可知，對于相同的分配環，增加液位高度，壁面處剪液膜厚也相應增加，是因為隨著液位高度增加分配環內液體流量增加；當液位高度一定時，改變分配環型號，壁面處液膜厚度也發生改變，分配環間隙越大，則液體流量越大，從而液膜厚度增加。隨著液膜垂直下降，液膜在自身重力作用下克服壁面處切應力加速直至達到平衡，液膜厚度不斷減小。圖4(a)、(b)分別給出了2#、3#分配環(環隙間距0.8mm、1.3mm)不同液位高度下壁面處液膜厚度圖，當環隙內液體流量為35.2～195.7mL/min，壁面處能夠形成均勻且穩定的液膜；液體流量低于35.2mL/min時，形成滴狀流；液體流量大于195.7mL/min時，壁面處液體出現偏流現象。

因此，對于氣液交叉流PM2.5捕集系統，分配環間隙宜在0.8～1.3mm之間，分配環內液體流量控制在35.2～195.7mL/min之間，纖維繩壁面處能夠形成均勻穩定的液膜，不會出現滴狀流或偏流現象。

2.3垂直下降液膜速度

隨著液體沿壁面不斷垂直下流，液體在重力作用下克服壁面剪切力不斷加速，液體流速不斷增加，與此同時壁面處因速度梯度引起的剪切力也不斷增大，當該剪切力大于壁面能夠提供的最大摩擦力時，壁面處的液膜相對于壁面發生滑移斷裂，脫離壁面，此時均勻穩定的液膜被破壞，同時不斷有水滴從水膜位置飛濺，液膜發生斷裂、液滴飛濺等現象[7]。對于均勻成膜操作區間，分別給出2#、3#分配環不同液體流量下纖維繩壁面垂直下降液膜的速度變化見圖5(a)、(b)。隨著液膜沿壁面下降，壁面處液膜速度均勻穩定的增加直至達到平衡。2#分配環纖維繩壁面能形成連續、均勻、穩定的液膜，而3#分配環纖維繩壁面液膜會發生滑移斷裂，是因為當液膜速度增加至1.1m/s左右時，壁面處因速度梯度引起的剪切力超過壁面能夠提供的最大摩擦力，導致液膜相對于壁面發生滑移斷裂。因此對于氣液交叉流PM2.5捕集系統纖維繩壁面處能夠形成連續、均勻、穩定的液膜條件是：分配環的最佳尺寸為0.8mm，最佳的液體流量為35.2～195.7mL/min。

圖4不同分配環下液膜厚度沿纖維繩的變化曲線

圖5　不同分配環下降膜速度沿纖維繩的變化曲線

3　結語

利用工業廢氣廢水自身的低位余能及熱力學勢差構建內源性推動力“場”與吸收“面”共生的以廢治廢分離機制，發展了一種廢氣橫掠廢水液柱流的氣液交叉流陣列，為了提高纖維繩壁面降膜的均勻性和穩定性，提出了一種新型的布膜裝置，主要利用環隙間距保證布膜的均勻性，研究了環隙大小、液體流量對管外降膜的影響。

(1)該纖維繩外壁降膜裝置結構簡單，性能可靠，加工方便，液體成膜均勻。

(2)為了避免纖維繩外壁液膜一開始就出現滴狀或是成股流動，形成均勻穩定的液膜且不發生斷裂，應控制分配環液體流量在35.2-195.7mL/min。

(3)環隙間距對液體在纖維繩外壁成膜的均勻性有較大的影響，液體成膜的最佳環隙間距應控制為0.8mm。

1王偉，湯大綱，劉紅杰等. 中國PM2.5污染狀況和污染特征研究[J]. 環境科學研究，2000，13(1)：1-5.

2殷永文，程金平，段玉森等. 某市霾污染因子PM2.5引起居民健康危害的經濟學評價[J] .環境與健康雜志，2011，28(3)：250-253.

3Tucher W G. An overview of PM2.5 sources and control strategies [J].FuelProcessingTechnology，2000，65-66:379-392.

4賀西林，夏素蘭，朱家驊等. 氣液交叉流凈化工業尾氣的實驗研究 [J]. 化工設計，2009，19(2)：14-16.

5陳治良，魏文韞，朱家驊等. 橫掠液柱流的微粒運動機理及PM2.5捕獲[J]. 化工學報， 2012，63(7)：2001-2009.

6駱超，馬偉斌，龔宇烈等. 液體管外降膜的實驗[J] . 化工進展，2010，29(05):821-824.

7張群，童一俊，任海剛等.豎直降膜流動特性與穩定性的數值研究[J]. 西北工業大學學報，2013，31(5)：733-736.

*陳毅：四川大學化工學院化學工程碩士。在讀，傳質與分離研究。聯系電話：15196642894，E-mail:4192244762@qq.com。

**基金項目：國家自然科學基金項目(21276161)。科技部國際科技合作專項(2014DFG92250)。

2016-03-07)