液體表面張力及黏度變化對氣液傳質過程的影響

李 靜

（陽煤集團太原化工新材料有限公司,山西 太原 030000）

引 言

化工過程的強化主要是通過提高傳質效率和減小傳質阻力兩個方面［1］,強化氣液主要是為了能夠工業生產高效低耗化。就目前研究現狀看,主要方法有：一改進設備結構,板式塔和填料塔目前應用比較廣泛；二通過引入質量分離劑,創新有效的分離技術［2］；三引入第二能量分離劑（如,超聲、重力場等）。

氣液傳質過程指在系統中氣體和液體間傳遞的過程,由于物質濃度的差異,發生了吸收或者解吸過程,同時,液相的某些物化性質發生了變化,如,黏度、表面張力等,而這些氣液界面的不穩定導致了界面對流過程,這種對流過程對氣液傳質過程有一定的增強作用［3－5］。研究表明,界面對流對于實際化工過程中的氣液傳質具有重要的意義。通過在體系中加入產生特定作用的第三組分,研究其對氣液傳質過程的影響。

1 表面活性劑強化氣液傳質

1.1 表面活性劑強化氣液傳質過程的研究進展

液體表面張力是控制界面傳質的重要參數,表面張力的變化會導致界面不穩定,在一些條件下會引發近界面液體的對流現象,即 Marangoni對流。表面活性劑引起表面張力變化,同時調高氣泡在液相中的分散性,從而增加氣液傳質系數。

Gomez－Diaz等［6］以 H2O－CO2為對象,鼓泡塔作為反應設備,十烷基三甲基溴化銨（DTABr）作為表面活性劑,探討了活性劑對氣液傳質過程的影響,發現,隨著DTABr的增大,總傳質系數KL先增大后下降明顯,在活性劑較低濃度處會出現一個最大值。實驗表明,表面活性劑的分子結構對氣液傳質過程產生重要的影響［7］：短鏈的烷基表面活性劑對傳質過程起到促進作用。反之,長鏈則會起到抑制作用,中等長度鏈在濃度較低時會起到促進作用,在高濃度時則會起到抑制作用。這說明表面活性劑的濃度對于氣液傳質有很大的影響,在界面調控時應給予考慮。

孫健等［8］以溴化鋰溶液吸收水蒸氣為例,對加入表面活性劑后強化的過程進行了研究,分析了氣液兩相以及固液兩相界面的變化過程。作者認為,吸收時表面活性分子在氣液界面分布不均衡,會產生表面張力梯度,使得傳質強化。Wu等［9］以三甘醇和二甘醇溶液中添加低表面活性劑乙醇為研究對象,分析了強化水蒸氣吸收的過程。作者分析認為,加入乙醇后,會產生表面張力梯度,同時界面對流,氣液界面更新速度加快,氣液傳質得到強化。

1.2 表面活性劑強化氣液傳質的機理探究

表面活性劑的加入,一方面,會降低溶液的表面張力,會導致相鄰氣泡的壓差小,小泡并入大泡的速度慢,氣泡的穩定性就會好一些；另一方面,吸附了促傳劑的液膜會受到氣流的沖擊、振動或形成泡膜的液體受重力作用而排液時,泡膜能產生彈性恢復力,維持氣泡自身的穩定。這樣促傳劑的加入抑制了氣泡的破滅和合并,從而使氣泡直徑小、形狀規則均勻,總的表面積大,上升速度慢,穩定性強,增大氣液接觸面積,延長氣液接觸時間而增強傳質。

研究發現,有時表面活性劑的加入不但沒有起到強化的效果,反而會帶來抑制的效果。Painmanakul等［10］研究了在自來水中加入少量的表面活性劑對氧氣傳質過程的影響。研究發現,陽離子或陰離子表面活性劑都會使液相傳質系數KL減小,會在液體表面形成一層表面活性劑分子膜,導致表面運動減弱。Hebrard等［11］考察了在攪拌釜中添加表面活性劑十二烷基硫酸鈉（SLS）后,氧氣在水中傳質系數的變化情況。實驗結果顯示,隨著SLS濃度的增大,傳質系數不斷減小,直到濃度達到SLS的臨界膠束濃度之后,傳質系數降為恒定值。作者認為,在氣液界面形成了一個富含表面活性劑分子的液層,此液層導致了氧氣的擴散系數減小,使液相傳質系數降低。

2 增大液體黏度對氣液傳質的影響

黏度是流體運動時剪切力與剪切速度梯度的比值,是流體的一種屬性。黏度對流體流動狀態影響很大,同時也影響到傳質過程。而氣液接觸面積主要取決于反應器內平均氣含率與氣泡尺寸的分布［12］。基于氣泡性質對氣液行為和液體循環速度的重要影響,研究反應器內氣含率和氣泡尺寸分布等氣泡性質,對于傳質行為非常重要,而黏度對于氣含率和氣泡尺寸都有很重要的影響。

一方面是黏度對氣含率的影響。楊志生等［13］在水中加入微量樹脂（＜2%）后發現,液相的物理性質幾乎沒有變化,而氣含率隨液相黏度的增加而下降。作者分析認為,液相黏度增大,使小氣泡匯合成大氣泡的機率增加,導致氣泡分散困難,氣含率下降。Wei等［14］對氣升式反應器的研究中發現了同樣的規律：隨著黏度的增加,氣泡聚并加劇,氣含率下降。

另一個方面是黏度對于氣泡直徑的影響。黏度對單孔氣泡直徑的影響早有研究：在1929年,Schnurmann就將多孔陶瓷和碳濾器浸入到大量溶液中（包括酒精、酸溶液、糖水和特定的電介質溶液中）,研究液相黏度對氣泡直徑的影響。結果表明,液相黏度確實是影響氣泡直徑的主要因素之一。Ramakrishnan和 Kumar［15－16］認 為,隨 著 黏 度 的 增加,氣泡直徑增大；液相表面張力和孔徑都較小時,黏度對氣泡直徑影響較大。

童川等［17］研究了液體黏度對于CO2吸收塔規整填料傳質性能的影響,通過向液相中加入甘油使得液相黏度由0.001 0Pa·s增加至0.002 5Pa·s,利用這個體系在填料塔中測量金屬板波紋規整填料在不同操作條件下的有效傳質面積。實驗結果表明,黏度的改變會直接影響到填料在同等條件下的有效傳質面積,具體表現為,當氣速相流速較低時,在高黏度體系傳質面積降低。作者分析認為,體系黏度的增加會阻礙液體在填料表面的鋪展,從而降低了氣液的接觸面積。

黏度主要是通過影響氣泡的合并來對氣液傳質效果產生影響,增大液相的黏度,會使氣泡聚并加劇,導致傳質效率的降低。

3 總結

1）氣液傳質過程是個看似簡單,實質非常復雜的過程,表面張力對傳質的影響顯著大于黏度、擴散系數等其他物性。通過于液相中添加低表面活性物質會引起傳質界面產生湍動效應,這種效應會使緊貼界面兩側的氣、液體產生對流,降低傳質阻力,提高傳質效率。目前研究的表面活性劑強化氣液傳質的過程大多數應用在氣液接觸時間長,氣液對流發生在相對緩慢的過程,只有這樣,改變的界面張力才有可能成為影響傳質過程的一個因素。

2）超重力技術是一種新型的化工過程強化技術［18－19］,通過旋轉填料床實現,旋轉填料床最大的優勢就是將液體通過高速旋轉將其切割成較薄的液膜和較小的液滴,由于旋轉填料床的高速旋轉,使得液體在填料中以極小的液滴、液膜和液絲存在,氣液接觸良好,表面更新速率非常快,在旋轉填料床中加入的表面活性劑引起的表面湍動和界面對流對于氣液傳質的過程影響較弱,效果不明顯,需要深入探究。

3）目前對于在液相中加入表面活性劑和增稠劑的研究都是在氣液對流比較溫和的過程,研究表明,不同的表面活性劑、不同的設備、不同的實驗條件,表面活性劑產生的效果都沒有一定的規律性,并且對于氣液傳質影響的效果不是十分顯著,研究的范圍也僅局限于吸收CO2和水蒸氣方面,需要繼續擴大研究范圍。

4）另外,關于研究納米流體強化氣液傳質有4個機理：掠過效應、抑制氣泡聚并機理、邊界層混合機理和滲透機理。很多學者都對納米流體強化氣液傳質的機理進行了深入的研究,但效果不明顯,需要深入探究。

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