液体粘度对组合梯形喷淋塔中液滴分散的影响

《Chemical Engineering Research and Design》：Effect of liquid viscosities on droplet dispersion in combined trapezoid spray tray

液体粘度对组合梯形喷雾板（CTST）内气液两相流滴散行为的影响研究。通过高速摄像实验发现，CTST主要存在液膜内撕裂和液柱外破碎两种滴散模式，当液体粘度超过65 mPa·s时在孔板区域出现液膜外撕裂新模式。实验表明，随着粘度增加单液柱破碎滴数由1-2增至5-7，滴散频率下降超60%，但小液滴频率下降不明显且在孔板区域出现上升趋势。最终建立了考虑区域差异和粘度的滴散频率经验关联式。

　　

李全成|王洪海|苏伟毅|李春丽|熊宇

河北工业大学化学工程与技术学院，国家地方联合工程实验室（化学过程集成与资源利用节能），天津，300130，中国

摘要

研究液体粘度对液滴分散行为的影响对于优化气液分散装置具有重要意义。本文使用高速摄像机直接观察并分析了组合梯形喷淋盘（CTST）内的液滴分散行为。研究表明，CTST中的主要液滴分散模式是液膜内撕裂和液柱外破裂；当粘度高于65 mPa·s时，在阵列孔区域会出现另一种模式——液膜外破裂。此外，随着液体粘度的增加，单个液柱破裂产生的液滴数量从1-2个增加到5-7个。液滴分散频率随粘度的增加而显著降低，峰值下降了60%以上。然而，小尺寸液滴的分散频率降低并不明显，在阵列孔区域甚至观察到增加的趋势。最后，建立了一个经验关联式来预测液滴分散频率与液滴直径和液体粘度的关系。

引言

气液两相流在许多工业领域得到广泛应用，如环境保护（Vankova等人，2007年）、化学工程（Windhab等人，2005年）、食品加工（Lee等人，2015年）和石油（Tran等人，2019年；Motzkus等人，2011年）。在许多情况下，液相以液滴的形式分散在连续的气相中（Qin等人，2019年；Petersen等人，2017年；Stratiev等人，2016年），这意味着在气流的作用下，大量的液相被分散成小液滴（在某些情况下也称为液滴破碎）。这显著增加了气相和液相之间的接触面积，从而提高了传质、传热和化学反应的效率。因此，促进液滴分散对于强化气液两相流的混合至关重要。

气液分散装置对液滴分散过程有着决定性的影响。不同的液滴分散装置在气液分散效率上存在显著差异。在众多液滴分散装置中，三维喷淋盘作为一种新型高效装置，因其出色的分散和传质性能而被广泛使用（Wang等人，2010年；Liu等人，2014年）。组合梯形喷淋盘（CTST）是三维喷淋盘的典型代表（Wang等人，2017年），其结构如图1(a)所示。图1(b)展示了CTST中的液滴分散过程。首先，液体在压力差的作用下从喷淋板和底板之间的底部间隙进入喷淋帽。气体从底板上的孔进入喷淋帽。液体被吸入液膜并附着在喷淋帽下侧的内壁上。当液体被提升到喷淋帽的上部后，由于阵列孔和气体剪切力的作用，液膜破裂成液滴。其中一些液滴上升到顶部分离板，另一些则通过喷淋板上的阵列孔被喷出。

在液滴分散过程中，液体粘度对液滴的动态行为有显著影响。具体来说，液体粘度主要通过以下三个方面发挥作用：（1）调节液滴变形：液滴变形是液滴分散的前提。Andersson等人（Andersson和Andersson，2006年）发现，在湍流中，低粘度液滴会迅速拉伸到初始直径的2-3倍，然后迅速破裂，变形形态对称且没有明显滞后。相比之下，高粘度液滴在变形后会形成长度达到初始直径20倍的液丝，并且这些液丝会持续几毫秒后才破裂。这表明高粘度液体在破裂前需要经历更强烈、更长时间的变形。（2）改变内部液体流动：内部液体流动是能量传递和变形的核心载体。Arai等人（Arai等人，1977年）观察到低粘度液滴内部有显著的循环流动，且流速与外部湍流波动同步。Zhou等人（Zhou等人，2019年）在连续泵混合器中发现，高粘度液滴的内部速度梯度比低粘度液滴低1到2个数量级。这表明低粘度液滴内部的流体沿拉伸方向来回流动，促进了能量的均匀分布。相比之下，高粘度液滴两端只有微弱的流动，中心区域几乎静止。（3）影响液滴分散机制和分散效果：Vonka等人（Vonka和Soos，2015年）通过CFD模拟验证，当液体粘度增加时，相应的能量耗散率也会增加，证实高粘度液体需要更多的能量输入才能实现分散。Andersson等人（Andersson和Andersson，2006年）发现，高粘度液滴产生的平均液滴数量增加，表明多分散的频率随粘度的增加而增加。De Hert等人（Carrillo De Hert和Rodgers，2017年）在转子-定子均质器中发现，随着液体粘度的增加，液滴尺寸分布变得更宽，并呈现出明显的双峰分布。这表明随着粘度的增加，高粘度液滴的分散均匀性显著降低。总之，在气液两相湍流系统中，液体粘度通过调节液滴的变形模式、内部流场、破裂机制和破裂效果，对液滴的动态行为产生显著影响。

在现有的关于组合梯形喷淋盘（CTST）的研究中（Wang等人，2017年；Liu等人，2014年；Wang等人，2010年），研究人员主要关注宏观流体动力学和传质性能，如压降、液相持量和传质系数。然而，我们认为正是特殊的液滴分散模式赋予了CTST出色的性能，这一点在我们之前的工作中已经进行了分析。在影响因素中，液体粘度是影响液滴分散行为的最关键参数之一。尽管如此，不同粘度液体在CTST中的分散行为和机制仍不清楚，这限制了CTST的操作性能。

为了解决这一问题，本研究旨在探讨液体粘度对CTST中液滴分散行为的影响。通过实验直接观察了不同液体粘度下液滴的动态分散行为。确定了CTST中液滴的主要分散模式，并基于实验结果建立了粘度与每个液柱产生的液滴数量及分散频率之间的定量关系。最后，提出了一个考虑区域差异和粘度效应的分段经验关联模型。本研究为优化CTST的设计提供了重要的理论支持，以便处理不同粘度的流体。

实验装置

实验装置

如图2所示，实验装置主要包括三个部分：CTST柱、高速摄像机和气液相流体输送装置。

CTST柱高1000毫米，宽100毫米，长200毫米。柱子的前后两面由透明玻璃制成，其余部分为不锈钢。CTST沿柱高均匀排列，间距为100毫米。CTST的高度为70毫米，底板的尺寸为100毫米×200毫米。

CTST中的液滴分散

如图3所示，CTST中的液滴分散主要发生在两个区域：喷淋帽和分离板之间的顶部间隙以及喷淋板上的阵列孔。

结论

本研究系统地研究了液体粘度对组合梯形喷淋盘（CTST）中液滴分散行为的影响。结果表明，CTST中的主要液滴分散模式是液膜内撕裂和液柱外破裂。当液体粘度高于65 mPa·s时，在阵列孔区域会出现另一种分散模式——液膜外破裂。此外，液柱的拉伸变形程度也受到影响。

支持信息

频率的计算方法。

作者贡献声明

李全成：撰写——初稿，正式分析，数据整理，概念构思。王洪海：撰写——审阅与编辑。熊宇：撰写——审阅与编辑，资金筹集。李春丽：撰写——审阅与编辑。苏伟毅：撰写——审阅与编辑。

利益冲突声明

作者声明本文中的材料未在其他地方发表或正在考虑发表。所有作者都对本文的创作做出了重要贡献，并阅读并批准了最终稿件。我们声明不存在利益冲突。

致谢

我们衷心感谢中国国家自然科学基金（22308079，22378095）和河北省自然科学基金（B2023202025）的支持。