液体表面张力及黏度变化对气液传质过程的影响

李 静

（阳煤集团太原化工新材料有限公司,山西 太原 030000）

引 言

化工过程的强化主要是通过提高传质效率和减小传质阻力两个方面［1］,强化气液主要是为了能够工业生产高效低耗化。就目前研究现状看,主要方法有：一改进设备结构,板式塔和填料塔目前应用比较广泛；二通过引入质量分离剂,创新有效的分离技术［2］；三引入第二能量分离剂（如,超声、重力场等）。

气液传质过程指在系统中气体和液体间传递的过程,由于物质浓度的差异,发生了吸收或者解吸过程,同时,液相的某些物化性质发生了变化,如,黏度、表面张力等,而这些气液界面的不稳定导致了界面对流过程,这种对流过程对气液传质过程有一定的增强作用［3－5］。研究表明,界面对流对于实际化工过程中的气液传质具有重要的意义。通过在体系中加入产生特定作用的第三组分,研究其对气液传质过程的影响。

1 表面活性剂强化气液传质

1.1 表面活性剂强化气液传质过程的研究进展

液体表面张力是控制界面传质的重要参数,表面张力的变化会导致界面不稳定,在一些条件下会引发近界面液体的对流现象,即 Marangoni对流。表面活性剂引起表面张力变化,同时调高气泡在液相中的分散性,从而增加气液传质系数。

Gomez－Diaz等［6］以 H2O－CO2为对象,鼓泡塔作为反应设备,十烷基三甲基溴化铵（DTABr）作为表面活性剂,探讨了活性剂对气液传质过程的影响,发现,随着DTABr的增大,总传质系数KL先增大后下降明显,在活性剂较低浓度处会出现一个最大值。实验表明,表面活性剂的分子结构对气液传质过程产生重要的影响［7］：短链的烷基表面活性剂对传质过程起到促进作用。反之,长链则会起到抑制作用,中等长度链在浓度较低时会起到促进作用,在高浓度时则会起到抑制作用。这说明表面活性剂的浓度对于气液传质有很大的影响,在界面调控时应给予考虑。

孙健等［8］以溴化锂溶液吸收水蒸气为例,对加入表面活性剂后强化的过程进行了研究,分析了气液两相以及固液两相界面的变化过程。作者认为,吸收时表面活性分子在气液界面分布不均衡,会产生表面张力梯度,使得传质强化。Wu等［9］以三甘醇和二甘醇溶液中添加低表面活性剂乙醇为研究对象,分析了强化水蒸气吸收的过程。作者分析认为,加入乙醇后,会产生表面张力梯度,同时界面对流,气液界面更新速度加快,气液传质得到强化。

1.2 表面活性剂强化气液传质的机理探究

表面活性剂的加入,一方面,会降低溶液的表面张力,会导致相邻气泡的压差小,小泡并入大泡的速度慢,气泡的稳定性就会好一些；另一方面,吸附了促传剂的液膜会受到气流的冲击、振动或形成泡膜的液体受重力作用而排液时,泡膜能产生弹性恢复力,维持气泡自身的稳定。这样促传剂的加入抑制了气泡的破灭和合并,从而使气泡直径小、形状规则均匀,总的表面积大,上升速度慢,稳定性强,增大气液接触面积,延长气液接触时间而增强传质。

研究发现,有时表面活性剂的加入不但没有起到强化的效果,反而会带来抑制的效果。Painmanakul等［10］研究了在自来水中加入少量的表面活性剂对氧气传质过程的影响。研究发现,阳离子或阴离子表面活性剂都会使液相传质系数KL减小,会在液体表面形成一层表面活性剂分子膜,导致表面运动减弱。Hebrard等［11］考察了在搅拌釜中添加表面活性剂十二烷基硫酸钠（SLS）后,氧气在水中传质系数的变化情况。实验结果显示,随着SLS浓度的增大,传质系数不断减小,直到浓度达到SLS的临界胶束浓度之后,传质系数降为恒定值。作者认为,在气液界面形成了一个富含表面活性剂分子的液层,此液层导致了氧气的扩散系数减小,使液相传质系数降低。

2 增大液体黏度对气液传质的影响

黏度是流体运动时剪切力与剪切速度梯度的比值,是流体的一种属性。黏度对流体流动状态影响很大,同时也影响到传质过程。而气液接触面积主要取决于反应器内平均气含率与气泡尺寸的分布［12］。基于气泡性质对气液行为和液体循环速度的重要影响,研究反应器内气含率和气泡尺寸分布等气泡性质,对于传质行为非常重要,而黏度对于气含率和气泡尺寸都有很重要的影响。

一方面是黏度对气含率的影响。杨志生等［13］在水中加入微量树脂（＜2%）后发现,液相的物理性质几乎没有变化,而气含率随液相黏度的增加而下降。作者分析认为,液相黏度增大,使小气泡汇合成大气泡的机率增加,导致气泡分散困难,气含率下降。Wei等［14］对气升式反应器的研究中发现了同样的规律：随着黏度的增加,气泡聚并加剧,气含率下降。

另一个方面是黏度对于气泡直径的影响。黏度对单孔气泡直径的影响早有研究：在1929年,Schnurmann就将多孔陶瓷和碳滤器浸入到大量溶液中（包括酒精、酸溶液、糖水和特定的电介质溶液中）,研究液相黏度对气泡直径的影响。结果表明,液相黏度确实是影响气泡直径的主要因素之一。Ramakrishnan和 Kumar［15－16］认 为,随 着 黏 度 的 增加,气泡直径增大；液相表面张力和孔径都较小时,黏度对气泡直径影响较大。

童川等［17］研究了液体黏度对于CO2吸收塔规整填料传质性能的影响,通过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,利用这个体系在填料塔中测量金属板波纹规整填料在不同操作条件下的有效传质面积。实验结果表明,黏度的改变会直接影响到填料在同等条件下的有效传质面积,具体表现为,当气速相流速较低时,在高黏度体系传质面积降低。作者分析认为,体系黏度的增加会阻碍液体在填料表面的铺展,从而降低了气液的接触面积。

黏度主要是通过影响气泡的合并来对气液传质效果产生影响,增大液相的黏度,会使气泡聚并加剧,导致传质效率的降低。

3 总结

1）气液传质过程是个看似简单,实质非常复杂的过程,表面张力对传质的影响显著大于黏度、扩散系数等其他物性。通过于液相中添加低表面活性物质会引起传质界面产生湍动效应,这种效应会使紧贴界面两侧的气、液体产生对流,降低传质阻力,提高传质效率。目前研究的表面活性剂强化气液传质的过程大多数应用在气液接触时间长,气液对流发生在相对缓慢的过程,只有这样,改变的界面张力才有可能成为影响传质过程的一个因素。

2）超重力技术是一种新型的化工过程强化技术［18－19］,通过旋转填料床实现,旋转填料床最大的优势就是将液体通过高速旋转将其切割成较薄的液膜和较小的液滴,由于旋转填料床的高速旋转,使得液体在填料中以极小的液滴、液膜和液丝存在,气液接触良好,表面更新速率非常快,在旋转填料床中加入的表面活性剂引起的表面湍动和界面对流对于气液传质的过程影响较弱,效果不明显,需要深入探究。

3）目前对于在液相中加入表面活性剂和增稠剂的研究都是在气液对流比较温和的过程,研究表明,不同的表面活性剂、不同的设备、不同的实验条件,表面活性剂产生的效果都没有一定的规律性,并且对于气液传质影响的效果不是十分显著,研究的范围也仅局限于吸收CO2和水蒸气方面,需要继续扩大研究范围。

4）另外,关于研究纳米流体强化气液传质有4个机理：掠过效应、抑制气泡聚并机理、边界层混合机理和渗透机理。很多学者都对纳米流体强化气液传质的机理进行了深入的研究,但效果不明显,需要深入探究。

参考文献：

［1］ Bryan P F,Keller G E.Process engineering：moving in new directions［J］.Chemical Engineering Progress,2000,96（1）：41－49.

［2］ 蔡旺锋.浆料体系中细颗粒增强气液传质研究［D］.天津：天津大学,2003.

［3］ 沙勇.传质导致的 Rayleigh－Bénard－Marangoni对流研究［D］.天津：天津大学,2002.

［4］ 余国琮.化工计算传质学导论［M］.天津：天津大学出版社,2011.

［5］ 余黎明.气液传质过程的 Marangoni效应研究［D］.天津：天津大学,2005.

［6］ Gómezdíaz D,Navaza J M,Sanjurjo B.Mass－transfer enhancement or reduction by surfactant presence at a gas liquid interface［J］.Ind eng chem res,2009,48（5）：2671－2677.

［7］ García－Abuín A,Gómez－Díaz D,Navaza J M,et al.Effect of surfactant nature upon absorption in a bubble column［J］.Chemical Engineering Science,2010,65（15）：4484－4490.

［8］ 孙健,付林,张世钢.吸收式热泵中表面活性剂的强化机制研究［J］.制冷与空调,2010,10（3）：16－19.

［9］ Wu H,Chung T W.Influences for the addition of ethanol to the absorption system on the interfacial disturbances and mass transfer performance［J］.Industrial ＆Engineering Chemistry Research,2008,47（19）：7397－7404.

［10］ Rodolphe Sardeing, Pisut Painmanakul, Gilles Hébrard.Effect of surfactants on liquid－side mass transfer coefficients in gas－liquid systems：A first step to modeling［J］.Chemical Engineering Science,2006,61：6249－6260.

［11］ Hebrard G,Zeng J,Loubiere K.Effect of surfactants on liquid side mass transfer coefficients：A new insight［J］.Chemical Engineering Science,2005,60（22）：6480－6491.

［12］ 高娜.多层桨气－液搅拌槽内气泡尺寸及局部气含率研究［D］.北京：北京化工大学,2010.

［13］ 杨志生,王绍亭.振动筛板鼓泡塔中气含率的研究［J］.天津大学学报自然科学与工程技术版,1997（1）：99－103.

［14］ Wei C,Xie B,Xiao H,et al.Volumetric mass transfer coefficient of oxygen in an internal loop airlift reactor with a convergence－divergence draft tube［J］.Chemical Engineering ＆ Technology,2000,23（7）：597－603.

［15］ Ramakrishnan S,Kumar R,Kuloor N R.Studies in bubble formation－I bubble formation under constant flow conditions［J］.Chemical Engineering Science,1969,24（4）：731－747.

［16］ Kumar R,Kuloor N R.Studies in bubble formation－I bubble formation under constant pressure conditions［J］.Chemical Engineering Science,1969,24：749－761.

［17］ 童川,于笑丹,陈健,等.液体黏度对CO2吸收塔规整填料传质性能的影响［J］.化学工程,2015,43（9）：6－9.

［18］ 桑乐,罗勇,初广文,等.超重力场内气液传质强化研究进展［J］.化工学报,2015,66（1）：14－31.

［19］ 刘有智.超重力化工过程与技术［M］.北京：国防工业出版社,2009.