垂直圆盘液膜厚度特性实验研究

喻江　姬海宏　朱跃

华电电力科学研究院（浙江杭州　310000）

化工设备

垂直圆盘液膜厚度特性实验研究

喻江姬海宏朱跃

华电电力科学研究院（浙江杭州310000）

垂直圆盘表面液膜厚度受离心力、重力、黏性力以及惯性力等多重因素的影响，合力随着位置的变化而变化，液膜分布复杂。借助激光探头测量圆盘表面不同位置处液膜厚度随物性及转速的变化规律，结果表明：固定位置处液膜厚度与转速非正相关，部分区域膜厚随转速的增加先增加，出现极值后减小至某一恒定值，而部分区域膜厚与转速成递增函数关系后便达到恒定值。圆盘表面的成膜性与黏度和转速关系密切，低黏物系在低转速时，盘面很难成膜；随着转速的提高，部分区域成膜，但整体成膜率低；当黏度提高后，低转速下就能达到高成膜率。固定物系与转速，旋转圆盘不同位置处膜厚存在差异，均一性较差，在设计圆盘时，简单用平均膜厚表征圆盘表面液膜特性可能会失真。

圆盘膜厚规律

0　引言

圆盘反应器属高持液量型表面更新式反应器，其通过槽中圆盘的旋转产生连续液膜，形成较大的气液传质面积。由于效率高、结构简单以及操作弹性大，该反应器被广泛用于化学合成、催化工业、固体溶解、污水处理等方面。旋转圆盘分为垂直和水平两种，水平圆盘表面液膜不受重力的影响，情况较垂直圆盘简单，CHARWAT研究了水平圆盘上的液膜分布，根据表面液膜形状的不同，将其分为四类：（1）平滑膜；（2）同心波；（3）螺旋波；（4）不规则波型。

对于垂直圆盘上的液膜特性，由于膜厚存在一定的分布，表征膜厚分布规律比较困难，在研究中，一般采用平均膜厚来表征成膜厚度。王良生用实验方法研究圆盘转速（N，r/min）、液体黏度（μ，Pa·s）、盘径（D，m）以及弹性对平均膜厚（δ，m）的影响，得出如下结论：膜厚随着转速的增加而增大，δ∝N0.5；液体黏度增大，黏性力增加，液膜厚度也随之增加，δ∝μ0.5；盘径增大，膜厚增加，δ∝D0.5。另外，该研究还拟合出了膜厚关联式：

式中，ρ为密度，kg/m3；g为重力加速度，m/s2。

ZEEVALKINK等利用平板抽出模型，导出了圆盘反应器在水中的膜厚计算式：

式中，ν为流体的运动黏度，m2/s；R为圆盘半径，m；H为搅拌轴与液面的距离，m；ω为角速度，rad/s。

SUGA根据实验结果得到膜厚分布与平均膜厚的公式。VIJAYRAGHVAN通过实验研究，得到了垂直圆盘上的液膜分布及特性：圆盘上的膜厚情况复杂，膜厚随转速和半径的增加而增加；不同位置和转速的液膜差异较大，不能简单地用平均膜厚代替圆盘表面液膜特性；垂直圆盘未出现水平圆盘上的四种波形，重力的参与，使圆盘的成膜特性发生了较大的变化。本文以VIJAYRAGHVAN的工作为基础，研究圆盘的表面液膜特性。通过改变槽内液体的黏度（μ，mPa·s）和圆盘的转速，揭示垂直圆盘上液膜的一些新现象。

1　实验装置

实验装置如图1所示。为了保证较好的润湿性，圆盘材质采用打磨后的不锈钢板，直径D=0.15m，转轴直径d=0.01m；为确保圆盘能够稳定地运转，不产生摆动，转轴的安装必须水平；圆盘垂直安装在转轴上。电机固定在底座上，以防止转动时发生震动。本次实验中，浸没高度h设定为圆盘直径的1/2，h= 0.075m，槽尺寸为0.55m×0.40m×0.50m，边界效应可忽略不计。

图1　实验装置

使用德国Precitec Optronik GmbH公司的CHRE测量系统，对圆盘表面局部膜厚进行非接触式在线动态测量，所用探头型号为RB200050。当探头的光线在液膜表面形成的光点直径小于12μm时，可认为是局部单点测试；液膜厚度方向的分辨率为0.1μm，采集频率为1000 Hz，膜厚稳定后取平均值。探头固定在支架上，可以改变探头的位置，方便测量圆盘上不同位置的瞬时膜厚。旋转圆盘上的测量点分布如图2所示，径向变化测量点在α=90°（α为旋转方向以液面为轴的角度，下同）处，圆盘半径R的取值分别为25，35，45，55，65，68mm；切向变化时取R=45mm，角度从液膜上升端开始，取值依次为30，60，90，120，150°。黏度测量采用美国TA公司生产ARES高级流变仪，测量精度为±0.1mPa·s。

图2　圆盘测量点分布图

本次实验采用的物系为水和甘油的混合物，通过改变两者的相对比例来调整物系的黏度。由于甘油与水的表面张力和密度相差不大，在改变比例调整黏度的同时，可近似认为表面张力和密度不变。测量温度为10℃。测量液体的黏度如表1所示。对于每种物系，旋转圆盘转速在20～300 r/min之间变化，以测量在不同黏度、不同转速、不同位置条件下旋转圆盘的液膜变化情况。

表1　测量液体黏度

2　实验结果

2.1膜厚随半径的变化

VIJAYRAGHVAN[5]通过实验指出，旋转圆盘表面膜厚沿径向变化，虽然没有明确指出变化规律，但从实验结果可看出，膜厚与半径成正相关关系，离圆心处越远，液膜越厚。在本次实验中（结果见图3），在一定半径区域内，膜厚变化规律与VIJAYRAGHVAN[5]的实验规律相同，随着半径的增大，膜厚呈上升趋势。同时，本实验还出现了新的现象，即膜厚随半径的变化出现一个极值，达到极值后，膜厚随着半径的增加而减小；极值的位置随转速的增加而向后移动，即转速越大，出现极值位置处的半径越大。

2.2膜厚随转速的变化

膜厚随转速的变化规律如图4所示。固定黏度与位置，液膜厚度与转速非线性相关，其先上升达到极值后再下降至恒定值；固定黏度和转速，不同位置处的液膜厚度并不均一，存在差异；不同黏度液体和不同位置处的膜厚差异不同，例如在μ=680mPa·s的情况下，液膜最大处的厚度比最小处的厚度厚800μm左右，而在μ=1mPa·s时，两者相差不到100 μm。可以看出，旋转圆盘表面的液膜厚度变化存在很大差异，表明用平均厚度对液膜厚度进行简化存在较大误差。实验测定圆盘半径R=75mm，定义R＜45mm的区域为近圆心区，R＞45mm区域为远圆心区。在高黏度（μ=680，253mPa·s）下，低转速（N<35 r/ min）时，近圆心区域的膜厚比远圆心区域的厚；随着圆盘转速的提高，膜厚增加，在转速达到一定值时，液膜厚度趋于恒定，且达到恒定值时的临界转速随着半径的增加而增加。当μ=680mPa·s，R=25mm时，液膜厚度在N=25 r/min时基本达到平衡值；当R=35mm时，液膜厚度在N=40 r/min时达到平衡值；当R=45mm时，液膜厚度在转速达到60 r/min时才达到平衡值；而在R=55,65,68mm处，在所测转速范围内，一直没有达到平衡膜厚。高转速（N＞100 r/min）时，远圆心区域膜厚超过近圆心区域膜厚。

图3　膜厚沿径向的变化

在低黏度（μ=100，42，1mPa·s）下，低转速时，中间位置处的液膜较厚，其它规律与高黏物系类似。在测量转速范围内，当μ=42mPa·s时，在R＜65mm处膜厚能达到恒定值：当μ=100mPa·s时，在R＜55mm的区域膜厚能达到恒定值，而在R＞55mm处未能达到恒定值。在更高黏度情况下，这些位置处的液膜厚度并未达到恒定值，这种现象验证了随着转速的增加，圆盘各位置处都有一个平衡膜厚，这个膜厚不会再随着转速的增加而改变的猜测。

在液膜厚度达到平衡值之前，膜厚出现了一个峰值，这是离心力和重力相互作用的结果。对于固定位置，当转速较低时，离心力小，重力影响突出，液膜向下流动；随着转速的增加，离心力变大，重力作用变小，液膜向下流动的加速度减小，此时液膜会增厚，这就是液膜厚度随转速的增加而增大的阶段，直至最大值。当离心力继续增加，直至其值大于重力时，液膜的加速度便向上，此处液膜慢慢变薄，直到恒定值，这就是膜的下降区。通过实验观察发现，旋转圆盘表面存在膜厚和膜薄两个区域，在低转速时，两区域交界处在近圆心区域；随着旋转转速的增大，交界处慢慢向外移动，最后被甩出，逃离圆盘。

2.3膜厚沿切向的变化

在测量半径R=45mm处，膜厚沿切向的变化规律如图5所示。在黏度μ=253，100，42，1mPa·s下，在α=30，60°处，液膜厚度先上升，然后达到恒定值；而在下降段（α=90，120，150°），膜厚随着旋转圆盘转速的增加，经历了一个极值点后达到恒定值。在μ=680mPa·s的情况下，由于黏度过高，黏性力起主导作用，导致在测定转速范围内，膜厚没有达到最后的恒定值。上升段与下降段在膜厚达到恒定值之前是否有极值出现的差异为：极值点均出现在60 r/ min以后，此时离心力较大，在上升段，液体被黏性力带上，离心力的作用使液体有一个向外的加速度，但由于转速较高，液体还没来得及被这个加速度带到圆盘外侧，便到达了下降段，所以上升段没有出现极值点。在下降段，在较低转速（N＜60 r/min）下，随着转速的增加，从槽内带上的液体增多，离心力相对较小，不能把液体带到圆盘外侧，液膜停留在盘上，膜厚增加；当转速增加到一定值后，膜厚达到极值；当转速继续增加时，离心力足够将盘上液体甩出，下降段的液体被甩到圆盘外侧，测试点（圆盘内侧）处膜厚下降，直至恒定值。

图4　不同黏度下膜厚随转速的变化

2.4膜厚随黏度的变化

改变黏度，固定位置，测定圆盘的膜厚随转速的变化。如图6所示，黏度越高，液膜越厚，与平板抽出模型相同。此规律与文献报道一致[5]。

2.5恒定膜厚

图5　膜厚沿切向的变化

从图4与图5所示的膜厚随转速的变化可以看出，对于一定物系，圆盘表面的液膜厚度并不是随着转速的增加而一直增大，这与之前的文献报道不同。从王良生和VIJAYRAGHVAR的实验结果可以看出，液膜厚度随着圆盘转速的增加呈现上升趋势。在本次实验中，对于一定物系，将圆盘转速提高，达到一定值时，液膜厚度会随着圆盘转速的升高而减小，直至一个恒定值，将其称为恒定膜厚δ0。对于同种物系，不同位置处恒定膜厚大小不同，随着半径的增大而增大：δ0∝R。黏度不同，圆盘内侧和外侧的恒定膜厚会产生差异，黏度越高，其差异越大。

图6　膜厚随黏度的变化

3　结论

（1）圆盘上液膜运动复杂多变。固定位置处液膜厚度与转速非正相关：部分区域膜厚随转速的增加先增加，出现极值后减小至某一恒定值；而部分区域膜厚与转速成递增函数关系后便达到恒定值。

（2）圆盘表面的成膜性与黏度和转速关系密切，低黏物系（如常态水）在低转速时，盘面很难成膜，随着转速的提高，部分区域成膜，但整体成膜率低；当黏度提高后，在低转速下就能达到高成膜率。

图7　恒定膜厚随位置的变化

（3）对于固定物系的旋转圆盘，只要转速足够高，各处的液膜厚度都会达到一个恒定值，当达到这个恒定值后，液膜厚度不会再随着转速的增加而改变，将该恒定值定义为恒定膜厚。

（4）固定物系与转速，旋转圆盘不同位置处膜厚存在差异。在低黏度低转速时，不同位置处的膜厚差异较小；而在高黏度情况下，圆盘表面液膜厚度不均一性比较明显。在设计圆盘时，简单地用平均膜厚表征圆盘表面特性可能会失真，此时应在研究圆盘表面瞬时膜厚以后建立新的模型。

Study on the Characteristics of Liquid Film Thickness for a Vertical Disk

Yu Jiang Ji Haihong Zhu Yue

The liquid film thicknessofverticaldisk is influenced by centrifugal force,gravitational force,viscous force and inertial force.The resultant force changeswith location,and the liquid film distribution is complex.The change rules of liquid film thickness along with physical properties and rotation speed at different positions of disk surface weremeasured by laser probe.The results showed that therewas a non-positive correlation between liquid film thickness and rotation speed ata fixed position,in some partarea,the liquid film thickness increased with the increase of rotation speed and then decreased to a constantvalue after theextreme value appeared,and in some otherarea,the liquid film thickness increased with the increase of rotation speed and then reached to a constantvalue.The film-formingabilitywasclosely related to viscosity and rotation speed,at low rotation speed,itwas difficult for low viscosity system to form a film;as the increase of rotation speed,the film formed in some area,and theoverall film forming ratewas low;when the viscosity increased,high film forming rate could beachieved under low rotation speed.Under fixed system and rotation speed,the liquid film thicknesshad differentvalue atdifferentposition of the rotating disk,and thehomogeneitywas relatively poor,and in the design ofdisk,itwas likely to cause distortionwhen the liquid film characteristicwassimply represented by average liquid film thickness.

Disk；Liquid film thickness；Rule

（略）

TQ 052.5

喻江男1988年生硕士助理工程师主要从事电厂化学方面的研究工作

2016年3月