气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究

第20卷第5期高校化学工程学报No.5 V ol.20 2006 年10月 Journal of Chemical Engineering of Chinese Universities Oct. 2006文章编号：1003-9015(2006)05-0696-06
气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究
余黎明, 曾爱武, 余国琮
(天津大学化学工程国家重点实验室, 天津 300072)
摘要：为了研究降膜流动的动力学性质及其对气液传质过程的影响，在气液逆流的不同气液流动条件下采用激光多
普勒(laser Doppler anemometer，简称LDA)测量了降膜流动的液相速度分布和瞬时速度波动。

和以往假定液膜外侧为
自由表面，液膜表面处剪切力为零的Nusselt模型进行了比较，LDA测量结果表明气液逆流时降膜流动的最大液相速
度出现在液膜表面之内，并且是以近界面区域的速度波动为特征的流动。

在相同的降膜装置中进行了乙醇稀溶液的解
吸实验，液相传质系数的实验测量值是渗透理论预测值的1~2倍。

实验结果表明液相界面区域的速度波动加快了气液
界面的表面更新速率，减小了传质阻力，强化了气液界面的传质过程。

考虑液膜波动特征对气液接触情况的影响，从
气液两相接触时间的角度出发，修正了渗透理论对液相平均传质系数的预测，预测结果和实验结果相吻合。

关键词：激光多普勒(LDA)；速度波动；降膜流动；传质系数
中图分类号：TQ021.1；TQ021.4 文献标识码：A
The Study on the Liquid Velocity Fluctuation and the Mass Transfer
in the Gas-Liquid Falling Film
YU Li-ming, ZENG Ai-wu, YU Guo-cong
(State Key Laboratory of Chemical Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China )
Abstract:In order to study the hydrodynamics in the falling film, a laser Doppler anemometer (LDA) was used to measure the local liquid velocity and its instantaneous fluctuations in the falling film of a countercurrent gas-liquid flow. The experimental results show that the significant velocity fluctuation and the maximum velocity might occur in the vicinity of the liquid surface with relativity low liquid Reynolds number. To investigate the influence of the velocity fluctuation on the interfacial mass transfer behavior, the desorption processes of dilute alcohol solution were conducted in the same falling film contactor. The experimental liquid mass transfer coefficients are as much as 1~2 times higher than that predicted by the penetration theory. The experimental results demonstrate that the liquid velocity fluctuation increases the surface renewal and reduces the mass transfer resistance near the gas-liquid surface. Consequently, the mass transfer process is enhanced. Considering the velocity fluctuation effect on the gas-liquid flow, the penetration theory was modified and the predicted liquid mass transfer coefficients agree well with the experimental data.
Key words: laser Doppler anemometry (LDA); velocity fluctuation; f alling film; mass transfer coefficient
1 引言
在实验研究和工业应用中，许多换热和传质过程(如，蒸发、萃取、吸收和解吸等)都涉及到降膜流动过程，其中许多工业装置在相对较低的Re数范围内操作，因而理解降膜的传递特性具有十分重要科研和应用价值。

然而，降膜流动的流动特性依然没有得到充分的认识。

目前，研究流场的瞬时流动状况已
收稿日期：2005-05-23；修订日期：2005-10-28。

基金项目：国家自然科学基金(20136010)。

作者简介：余黎明(1979-)，男，湖北武汉人，天津大学博士生。

通讯联系人：曾爱武，E-mail：awzeng@
第20卷第5期 余黎明等： 气液降膜流动中液相速度波动及其传质研究 697
经成为研究降膜流动的关键问题，而且理解降膜流动动力学是研究降膜传递过程的必要基础。

这一课题在过去的三十年里得到许多研究者的关注[1~8]。

在过去的研究中，大多数研究着重于气液并流操作，对于逆流操作的研究较为缺乏[9,10]，所以对逆向气液流动的研究是十分有意义的。

有关降膜流动的动力学研究需要基于流场流动特性的详细实验数据，然而文献中对于流场局部速度特征的研究远远没有对于流场宏观流动特性的研究详实。

这主要是由于在测量流场中遇到诸多困难，例如，在流场中引入测量探头往往会破坏流场原有的信息，而且有损测量感应流场变化的灵敏度较低。

目前，采用先进的无损光学测量技术可以避免上述这些问题，而且可以通过直接测量得到流场的局部瞬时速度的信息。

所以采用先进的实验测量技术近些年来得到人们的极大关注。

在这种科学研究和应用背景下，已经为人们所采用的新型测量技术包括：热膜测速仪(HFA)，计算机辅助放射粒子示踪仪(CARPT)，激光多普勒(LDA)，粒子影像速度仪(PIV)，激光诱发荧光测速仪(LIF)，相际粒子多普勒测速仪(PDPA)以及压力传感器(PS)等等。

其中LDA 对流动整体或者局部流动可以进行高频非接触测量，具有精度高、响应快、空间分辨率高、不扰乱流场等优良特性，在流场测量领域有着广阔的应用前景。

本文对降膜流动的液相速度分布进行了实验研究，采用激光多普勒测速仪(LDA)测量液相流场速度分布和局部速度扰动。

实验结果表明气液逆流接触影响了液相速度分布，在气液界面附近流场扰动特征明显，并且最大液速偏离了气液界面。

在相同的降膜装置中进行了乙醇稀溶液的解吸实验，从气液两相接触时间的角度出发，修正了渗透理论对液相平均传质系数的预测。

实验结果表明气液界面附近速度的波动加快了表面更新速率，减小了传质阻力，液相传质系数的实验测量值高于平滑降膜流动的预测值，然而根据LDA 的测量结果对液相传质系数k L 的预测更为接近实验测量值。

因而降膜流动时液速的波动是降膜传质过程得以强化的一个重要原因，深入研究降膜流动的动力学特征，特别是近界面区域的流动机理，是进一步研究强化传热和传质的基础。

2 实验装置及流程
2.1 实验流程
实验在垂直的气液逆流系统中进行，降膜流动的实验流程如图1所示。

实验系统的主要组成包括气液接触器、离心泵、氮气供应系统和相关的气液管路。

连续逆向吹扫气体由钢瓶气产生。

气液两相的流量由相应的转子流量计控制。

水首先进行去离子处理，然后加入少量的中空玻璃珠作为 LDA 测量的示踪粒子，并且采用氮气预饱和(消除氮气在相际之间的传递对流场的影响)后用离心泵进行输送，经过 PID 温度调节器恒定温度(298K)，从气液接触器的顶部流入，经过挡板均匀分布和气相逆流接触，最后从底部流入液体储槽。

纯氮气(w ％＝99.99％)首先预饱和去离子水(消除水在相际
之间的传递对流场的影响)，经过PID 温度调节器恒定温度(气液两相保持相同的温度以消除热对流对流场的影响)，通过气相转子流量从降膜接触器的底部均匀鼓入，最后从顶部排空。

整体的气液流动是稳定的，使用LDA 可以研究瞬时流动，特别是在气液界面区域。

气液接触器由不锈钢框架和光学玻璃表面组成，如图2所示。

光学测量区域为150 mm ×140 mm 的垂直平面。

其中，x 方向起始于玻璃内表面，指向气相；y 方向为气液接触器的宽度方向，起始于测量区域的中心线；z 方向起始于测量部分的液相进口处.由于流道宽度远大于液膜厚度(δ/W<<1)，因而
1
2
2
3
4
5
5
6
7
8
图1 降膜装置示意图
Fig.1 Schematic diagram of experimental set-up for falling film study 1. water recovery 2. rotameter 3. falling film contactor 4. LDA 5. PID temperature controller 6. nitrogen vessel
7. buffer container 8. solution tank 9. pump
9
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壁面效应可以忽略。

液体在y 方向上均匀分布成膜状沿平板玻璃内表面下落，在测量区域形成液膜。

LDA 在0 mm<z <150 mm 区域内进行速度的瞬时测量，测量点在x 方向上的步长为0.01 mm ，在y 和z 方向上的步长为5 mm 。

2.2 激光多普勒测速系统
实验采用的LDA 系统是DANTEC 公司生产的3色5光束后向接收式多普勒测速仪。

LDA 系统的主要组成包括氩粒子激光器(2017)，DANTEC FiberFlow 光分离器，传导光纤，多色接收器，BSA 信号处理器，光线探头，三维坐标移动系统，Dell 主控计算机以及数据处理软件BAS Flow Software 。

其中，氩粒子激光器的最大功率是5 W ，光线探头透镜的焦距是310 mm ，Dell 计算机作为数据的采集和处理中心，流场的速度信息可以直接获得。

依据实验中流场的条件的不同，LDA 在每
一测量点收集2000~5000个数据信息。

LDA 是利用运动微粒散射光的多普勒频移来获得速度信息的。

实验中液相采用水，并用中空玻璃珠作为示踪粒子(粒子密度 ρL 为1.33×103 kg ⋅m −3，平均直径 d P 约为10 µm)。

示踪粒子和周围流体的相对速度 u r, P <10−4 m ⋅s −1。

这一计算结果说明实验所选用的示踪粒子真实地反映了流道内流体的运动情况，即中空玻璃珠在水相中具备良好的跟踪性。

此外，液相平均流速的 LDA 的测量结果和液相转子流量计的测量结果之间的偏差范围是±1％，表明实验采用的 LDA 测量系统具有很好的测量准确性。

3 实验结果与分析
液膜内任一点的流动速度u L 直接由 LDA 测量该点的瞬时测量值 u L, i 平均得到：
L L,1
1N
i i u u N
==
∑ (1) 在不同的两相流动条件下实验测量了气液逆流接触的液相速度，其中，U L =u L /u N,max ，X=x L /δN ，20<Re L <200，200<Re G <500。

根据Nusselt 模型可得：
2
L L N,max
L
2g u ρδµ= (2)
13
L L L 3g µΓδρ⎛⎞
=⎜
⎟⎝⎠
(3)
L L
L L e u R ρδµ= (4) G G
G G
e u R ρδµ=
(5) 图3(a)~(d)展示了不同气液流速下液相速度的分布(相应的LDA 数据测量位置是z ＝120 mm)。

整体上，液相流速分布具有类似的抛物线外形曲线。

由于液相粘滞摩擦力的影响，靠近固体壁面区域的速度较小。

在液膜中，液体降膜流动速度随着相对壁面距离的增加而逐渐增加。

由于气相逆向流动的存在，气相曳力使得液膜表面处液速下降，因而，液相流速的最大值并没有像Nusselt 模型等平滑降膜模型预测的那样出现在液膜表面。

由图3可见，由于气相的粘度和密度远远小于液相，在不同的气速下，液相的速度分布外形的变化很小。

这说明气体流量的改变对液相整体速度的影响较小。

Gas in Gas out Liquid out
Liquid in
Glass plate
G l a s s p l a t e
x
y
z
图2 气液降膜接触器
Fig.2 Experiment apparatus for falling film contactor
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0.0
2.5
5.0
t / s (a)
U L / m ⋅s −1
0.0
2.5
5.0
U L / m ⋅s −1
t / s (b)
图4 液膜速度的瞬时变化 （Re L = 40, Re G = 230） Fig.4 Time series of liquid film velocity (Re L = 40, Re G = 230)
○ instantaneous velocity ⎯ average velocity, (a) X = 0.3 (b) X = 0.95
0.0
0.5 1.0
0.0
0.6
1.2
(c)
U L X
0.0
0.5 1.0
0.00.6
1.2
X U L
(d)
图3 降膜流动的速度分布
Fig.3 The velocity distribution of the falling film
0.0
0.5
1.0
0.00.6
1.2
(a)
X U L
0.0
0.5 1.0
0.0
0.6
1.2
(b)
X U L
通过LDA 的测量过程，在测量液相速度的同时，也可以直接测量相应的速度波动。

图4(a)、(b)为在液膜内不同测量点瞬时速度随时间的变化情况。

从图中可以看出，无论液相内部还是近界面附近瞬时速度都随着时间的变化在时均速度上下波动。

但是，测量点X =0.95处的瞬时测量结果说明在近界面区域不仅局部时均流速大于液膜内部的局部时均流速，而且流速变化的幅度和频率也远大于液膜内部，这表明，近界面的液相流动受气相干扰较大。

在降膜流动中，近界面的传质行为必然受到液相速度波动的影响。

速度波动u L,ft 采用如下方程计算：
L,ft u =
(6)
图5中，在不同的Re 数下，液相局部速度波动强度Φ随着相对于固液壁面距离的变化。

速度波动强度定义为波动速度和时均速度的比值：
L,ft L
100%u u Φ=× (7)
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Re L Re L (a) (b)
图6 不同液相Re 数下传质系数的实验测量值和理论预测值的比较
Fig.6 Comparison between experimental and predicted mass transfer coefficient vs. liquid Reynolds number
k / m ⋅s −1
k L / m ⋅s −1
在不同的流动条件下，液相速度波动强度Φ随着X 的增加而不断增加(即，当X →0的时候，Φ接近0；当X →1的时候，波动强度出现最大值)。

同时，液相波动强度Φ
也随着气相流率的增加而有所增大。

如图4和5所示，LDA 的测量结果表明在0.5<X <1的液膜表面区域内，速度的波动强度出现较大的升高，并且维持较高的波动强度。

在这一流动区域内液相瞬时速度以较大振幅和频率围绕某一时均速度上下波动，说明近界面区域内存在一些流动单元结构(如，漩涡和对流等)使得流体的流动行为变得较为复杂多变。

当有质量在相际之间传递时，近界面的流动情况会变得更为复杂，可能会出现细胞对流和迸射等表面流动现象[11,12]。

因此，降膜流动近界面区域的速度扰动对界面传质速
率的影响不容忽略。

根据渗透理论，液相平均传质系数为：
L k = (8) 式中，降膜流动的气液接触时间t 为：
u
L
t =
(9)
LDA 实验测量结果表明Sur,LDA u 和N u 之间符合关系式：
Sur,LDA
N
1.5u u = (10)
式中，Sur,LDA u 是LDA 测量的液膜表面区域的平均流速。

方程(9)和(10)代入方程(8)得：
L L,N 1.22k k == (11)
方程(11)说明降膜流动的波动特性可以使液相传质系数大于Nusselt 模型的理论预测，从而强化传质过程。

在相同的降膜流动装置中，采用一系列不同浓度的乙醇稀溶液进行降膜解吸实验。

在气液降膜装置的液相进口和出口进行液相采样，采用气相色谱SP3402进行液相浓度分析。

通过改变液相溶液的浓度和气液两相的速度进行降膜传质实验研究。

液相传质系数k L 和液相Re L 数的关系如图6(a)、(b)所示，实验测量值是Nusselt 模型预测值的1~2倍，并且根据LDA 的测量结果对液相传质系数k L 的预测更为接近实验测量值。

一方面，由于随着液相Re L 数的增加，近界面区域的速度波动强度增加，界面的传质阻力减小，表面更新速率增大，气液两相的接触时间缩短，因而液相传质系数k L 增加，强化了气液传质过程。

另一方面，气液两相的浓度差是相际传质过程的推动力，在相同的两相流动条件下液相传质系数也随着
0.0
0.5 1.0
02
4
X
图5 液相速度的波动强度
Fig.5 The liquid velocity turbulence intensity
□ Re L = 40 Re G =
230 ◊ Re L = 80 Re G = 460►Re L = 120 Re G = 230 ○ Re L = 160 Re G = 460
Φ
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乙醇溶液初始浓度的增加而增加。

此外，随着气相Re G数的增加加速了乙醇从界面向气相主体的传递过程，从而加大了界面区域的浓度梯度，因此，液相的传质系数k L具有随着气速的增加而增大的趋势(如图6(a)、(b)所示)。

实验结果说明降膜流动的相际界面不同于以往传质模型中的理想平衡状态。

降膜流动液膜速度波动特征提高界面更新率，强化了相际传质过程。

因此，深入研究降膜界面动力学和传质行为有助于建立适宜的模型对相际界面传质强化行为进行理论分析，并为实际的生产应用提供可靠的理论依据。

4 结论
采用LDA测量了气液降膜流动的液相速度分布以及瞬时速度波动，同时在同一降膜装置中测量了液相传质系数。

实验结果表明近界面区域的液相速度波动加速了气液界面的表面更新速率，减小了界面和液相主体之间的传质阻力，加速了界面和液相主体之间的质量传递，传质系数的实验测量值是渗透理论预测值的1~2倍，从而强化了液相中的传质过程。

在渗透理论的基础上，采用LDA的实验测量数据对降膜液相传质系数的计算公式进行了修正，其预测结果和乙醇解吸实验结果相吻合。

符号说明：
d ⎯直径，mρ⎯密度，kg⋅m−3
D ⎯扩散系数，m2⋅s−1下标
g ⎯重力加速度，m⋅s−2ft⎯波动
k ⎯传质系数，m⋅s−1G⎯气相
L ⎯气液接触长度，m L⎯液相
Re ⎯Reynolds数LDA⎯LDA测量
t ⎯时间，s N⎯Nusslet模型
u ⎯流速，m⋅s−1P ⎯粒子
⎯相对
W⎯液相流道宽度，m r
⎯表面区域
w⎯质量分率 Sur
⎯流速
希腊字母 U
Γ⎯单位流道宽度上的液体流量，m2⋅s−1 0
⎯初始浓度
δ⎯液膜厚度，m 上标
Φ⎯速度波动强度—⎯平均
µ⎯粘度，Pa⋅s
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