谈黏弹性流体化学反应的气液传质过程.docx

谈黏弹性流体化学反应的气液传质过程谈黏弹性流体化学反应的气液传质过程 本文关键词：传质，化学反应，流体，弹性，过程谈黏弹性流体化学反应的气液传质过程 本文简介：摘要:利用鼓泡塔进出口的二氧化碳流量改变值，试验测定了二氧化碳在不同浓度的聚丙烯酰胺PAA水溶液中的化学汲取速率。探讨了液相的流变性和NaOH浓度对化学汲取速率A的影响，通过A与物理汲取的液相体积传质系数kLa相结合，进一步得到了强化因子。结果表明:A随着PAA质量分数的增大而减小，随着Na谈黏弹性流体化学反应的气液传质过程 本文内容：摘要:利用鼓泡塔进出口的二氧化碳流量改变值，试验测定了二氧化碳在不同浓度的聚丙烯酰胺PAA水溶液中的化学汲取速率。探讨了液相的流变性和NaOH浓度对化学汲取速率A的影响，通过A与物理汲取的液相体积传质系数kLa相结合，进一步得到了强化因子。结果表明:A随着PAA质量分数的增大而减小，随着NaOH质量分数的增大而增大。基于双膜理论，与CO2与NaOH的理化性质及其之间的反应动力学，结合文献中物理汲取的黏弹性流体的传质关联式，提出一个半理论模型用来计算CO2的化学汲取速率A，该模型的预料值与试验值吻合良好。文中的探讨结果将有助于深化理解黏弹性流体中伴有化学反应的气液传质过程机理。关键词:粘弹性流体;化学反应;气液传质;强化因子;化学汲取速率气液两相流淌普遍存在于化工、石油、食品、环境等多个工业领域1。在这些过程中，气液之间的传质过程起到了特别重要的作用，因此引起广泛的关注，如Yu等2探讨了CO2在甲基二乙醇胺溶液中的汲取过程。Ma等3利用界面湍动理论说明了气液传质过程，并建立了相关的数学模型。贾学五4-5探讨了低表面活性物质对气液传质过程的影响，并从Kolmogorov湍流各向同性理论和Higbie渗透理论动身，建立了包含低表面张力物质的气液两相体系的传质模型。但文献中绝大多数探讨都针对牛顿流体，针对黏弹性流体的探讨较少。李少白等6对牛顿流体、剪切变稀流体和黏弹性流体中的气液传质过程进行了探讨，提出了一个通用的关联式，在试验范围内，关联式的预料值与试验值吻合良好。此外，在实际的工业中，遇到的气液传质过程常伴有化学反应，针对这种状况下的气液传质过程的相关探讨更少。本文针对黏弹性流体中伴有化学反应的气液传质过程进行了探讨，利用有限元法求解得到了强化因子，结合文献中用于计算二氧化碳气体在黏弹性流体中物理汲取的数学模型，提出了用于计算黏弹性流体中二氧化碳的化学汲取速率，试验值与计算值吻合良好。1试验11试验装置试验装置如图1所示，气液传质过程主要发生在内径为80mm，高度为1010mm的圆柱形封闭有机玻璃鼓泡塔内。氮气瓶与二氧化碳气瓶分别通过管路与位于鼓泡塔底部的2个喷嘴相连。鼓泡塔入口管路和鼓泡试验过程塔的出口分别安装有精密气体流量计，流量计与计算机相连。12试验过程试验时，向鼓泡塔内注入5L的溶液，静置4h后，打开氮气瓶，向鼓泡塔内通入氮气1h，关闭氮气。通入二氧化碳，气体流量为10L/h，同时每隔2min读取记录二氧化碳入口及鼓泡塔出口处的气体流量改变，通过二氧化碳进口及出口流量的改变计算二氧化碳的化学汲取速率，其试验测定方法与Yu等相同2。试验温度为25，压力为常压。试验所用二氧化碳与氮气的纯度为1019%。液相为纯水与不同质量分数的聚丙烯酰胺PAA水溶液(03%，10%，15%)，PAA购于天津科密欧试剂公司，相对分子质量为10100。PAA水溶液中还含有不同浓度的NaOH(0，05，10，15kmol/m3)。液相密度由密度仪(AntonPaarDMA5000，德国)测定，结果的标准偏差低于±10%。流变性由可编程流变仪(eologica，InstrumentsAB，瑞典)测定，剪切速率范围为011010s1，测定结果表明PAA溶液不仅具有剪切变稀性，还具有黏弹性。剪切变稀性由幂律模型表示:表1表示流体的物理性质，流变性质以及二氧化碳在不同流体中扩散系数。2理论部分液相中CO2(A)与NaOH(B)的反应方程式如下所示:3结果与探讨为视察PAA溶液的流变性质和NaOH浓度对化学汲取速率A的影响，图2表示出了CO2的化学汲取速率A的试验值在不同浓度的PAA溶液中随NaOH浓度的改变规律。由图2可知，A随着PAA质量分数的增大而减小，随着NaOH浓度的增大而增大。由公式(15)可知，A主要由液相体积传质系数kLa，和PAA溶液中cAi有关。A随着PAA浓度的增大而减小的缘由可归因于以下2点:一方面，由表2可知，随着PAA溶液质量分数的增加，其黏度也增加，黏度对气液传质具有阻碍作用，因此，液相黏度越大，液相体积传质系数kLa越小，Gómez-Díaz等8也得到了相同的结果;另一方面，由表2可以看出，随着PAA溶液质量分数的增加，CO2在液相中的溶解度趋于变小，导致cAi降低，肯定程度上也降低了其化学汲取速率A。而A随着NaOH浓度的增大而增大的缘由在于NaOH与CO2发生反应，且NaOH浓度越大，强化因子越大，从而导致化学汲取速率A越大。强化因子的计算值是在PAA溶液中的cAi以及参数DA，DB，k2等参数已知的状况下，由方程(12)，(13)及(16)得到，其中方程(12)，(13)通过有限元求解。图3表示强化因子的计算值与试验值随PAA溶液质量分数的改变，其中实线代表计算值。由图3可知，PAA溶液质量分数和NaOH浓度均对具有促进作用，即随着液相中PAA质量分数和NaOH浓度的增加而增加，增加的缘由可归因于参数M的影响，强化因子随着M值而增加11，其中M=DAk2CBO/kL2。由图3可知，尽管随着PAA质量分数的增加而增加，但A却随着PAA质量分数的增加而减小，这是可能由于A受cAi和kLa的影响要大于强化因子的影响。图4表示10%PAA溶液中化学汲取速率A随NaOH浓度的改变，其中数据点代表试验值，实线代表利用方程(17)得到的计算值。由图4可知，随着NaOH浓度的增加，A的增幅很大，且试验值与计算值吻合，在纯水以及03%和15%的PAA溶液中也视察到了相同的趋势。图5表示的A计算值与试验值的对比，由图5可知，A计算值与试验值吻合良好，全部的试验值均在计算值的25%范围内，考虑到黏弹性流体中的伴有化学反应的气液传质过程的影响因素较多，这个预料范围是令人满足的。4结论利用通入鼓泡塔进出口的二氧化碳的流量改变试验测定了鼓泡塔中二氧化碳在含有3种不同浓度的NaOH的聚丙烯酰胺PAA水溶液中的化学汲取速率A。探讨了流体的流变性，NaOH浓度对A的影响，通过A与物理汲取的液相体积传质系数kLa相结合，进一步得到了强化因子，同时探讨了随PAA溶液质量分数及NaOH浓度的影响，探讨发觉A随着PAA质量分数的增大而减小，随着NaOH浓度的增大而增大;而则随着液相中PAA质量分数和NaOH浓度增加而增加。基于双模理论，与CO2与NaOH的理化性质及其之间的反应动力学，结合文献中的无化学反应的黏弹性流体的传质关联式，提出一个半理论模型用来预料CO2的汲取速率，该模型的预料值A与试验值吻合良好。作者：王爽 王岳 李少白 单位：辽宁石油化工高校 石油自然气工程学院 沈阳航空航天高校 能源与环境学院第6页 共6页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页第 6 页 共 6 页