【摘要】：氣液傳質(zhì)在化工過程中普遍存在，研究氣液傳質(zhì)強(qiáng)化具有非常重要的意義。在氣液傳質(zhì)過程中，液體表面張力是控制界面?zhèn)髻|(zhì)的重要參數(shù)，表面張力的變化會(huì)導(dǎo)致界面不穩(wěn)定，在一些條件下會(huì)引發(fā)近界面液體的對(duì)流現(xiàn)象，即Marangoni對(duì)流。界面對(duì)流的產(chǎn)生將對(duì)氣液傳質(zhì)過程造成顯著影響。本文通過添加低表面張力物質(zhì)，研究了低表面張力物質(zhì)對(duì)氣液傳質(zhì)過程的影響，以期尋求強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的有效手段。

首先，研究了在液相中添加三種不同臨界膠束濃度的表面活性劑對(duì)氣液比表面積和傳質(zhì)系數(shù)的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，表面活性劑在氣液界面聚集，會(huì)增大氣液比表面積，但由于膠束現(xiàn)象的存在，會(huì)減小CO2吸收的總包傳質(zhì)系數(shù)和液相傳質(zhì)系數(shù)，因此臨界膠束濃度是表面活性劑的一個(gè)重要參數(shù)。其次，研究了向氣相加入低表面張力物質(zhì)（乙醇和正丙醇）對(duì)氣液兩相傳質(zhì)的影響，并探討增強(qiáng)傳質(zhì)過程的途徑。氣相低表面張力物質(zhì)的添加，使液體表面出現(xiàn)了局部流動(dòng)現(xiàn)象。通過高速攝像技術(shù)進(jìn)行拍攝，并采用軟件進(jìn)行處理，得到了局部Marangoni對(duì)流現(xiàn)象的速度分布。進(jìn)而證實(shí)了在氣相中添加低表面張力物質(zhì)能夠誘導(dǎo)產(chǎn)生局部Marangoni對(duì)流現(xiàn)象。然后利用鼓泡塔傳質(zhì)裝置，研究了氣相中加入少量乙醇對(duì)水-CO2吸收過程傳質(zhì)的影響。CO2氣體中添加少量乙醇后，鼓泡塔中的氣泡尺寸變大，氣泡比表面積變小，而液相傳質(zhì)系數(shù)增大，綜合結(jié)果促進(jìn)了氣液傳質(zhì)。

實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，隨著氣相中乙醇濃度的增大，會(huì)出現(xiàn)Rayleigh負(fù)效應(yīng)，使得傳質(zhì)系數(shù)受到局部Marangoni效應(yīng)和Rayleigh負(fù)效應(yīng)綜合作用，結(jié)果導(dǎo)致傳質(zhì)系數(shù)在增大到某特定值之后出現(xiàn)減小的趨勢。通過粒子成像測速儀（PIV）實(shí)驗(yàn)分析氣相中添加低表面張力物質(zhì)強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的機(jī)理。PIV實(shí)驗(yàn)測得氣液傳質(zhì)過程中垂直于界面的液相速度場，定量分析了乙醇濃度對(duì)氣液傳質(zhì)過程界面對(duì)流的影響。氣相中低濃度乙醇導(dǎo)致了由近界面開始的液體局部流速增加，從而證實(shí)了氣液界面表面張力不均引發(fā)的局部Marangoni對(duì)流。但隨著氣相中乙醇濃度的增大，液體中的高流速區(qū)域趨于向液體表面集中，即液體的局部對(duì)流僅出現(xiàn)在界面附近，進(jìn)而證實(shí)了Rayleigh負(fù)效應(yīng)的存在。

該現(xiàn)象導(dǎo)致液體表面附近出現(xiàn)穩(wěn)定的高乙醇濃度區(qū)域，因而抑制了對(duì)流傳質(zhì)。最后，基于Higbie滲透理論和Kolmogorov各項(xiàng)同性湍流理論，建立了氣相中添加低表面張力物質(zhì)后的氣液傳質(zhì)模型，并通過模型對(duì)CO2吸收傳質(zhì)過程中的Marangoni效應(yīng)和Rayleigh效應(yīng)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，進(jìn)一步證實(shí)了Marangoni效應(yīng)和Rayleigh負(fù)效應(yīng)對(duì)傳質(zhì)過程的影響。該模型為預(yù)測氣相中添加低表面張力物質(zhì)對(duì)氣液傳質(zhì)的影響提供了可能。