FCSE 前沿研究：多孔泡沫塔板上单个变形气泡对传质增强机理的研究

论文标题：The role of single deformed bubble on porous foam tray with submerged orifices on the mass transfer enhancement（多孔泡沫塔板上单个变形气泡对传质增强机理的研究）

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Peng Yan, Xueli Geng, Jian Na, Hong Li, Xin Gao

发表时间：15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11705-023-2363-3

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背景及意义

具有多孔浸没孔口的泡沫塔板使气泡均匀分布，被认为是增强气液传质过程有潜力的塔内件。然而，它的不规则孔口和复杂的气液流动使得其缺乏关于动态鼓泡传质机制的研究。本研究基于计算机断层扫描技术，获得了泡沫塔盘的真实多孔结构。使用流体体积模型（VOF）和连续表面力（CSF）模型研究了多孔孔口处上升气泡的形状、动力学和传质。结果表明，液体侵入气体通道导致孔口速度增加，使尾部气泡容易受前导气泡影响，并导致聚并，进而产生尾部破碎气泡和中心破碎气泡。并且，我们发现中心破碎气泡显著提高了气液界面面积和传质效率。表明了泡沫塔板的传质强化潜力，并有助于促进其进一步发展。

内容及主要结论

首先，采用断层扫描技术重构出真实的多孔泡沫塔盘单元结构，以此结构作为多孔鼓泡孔口，研究了泡沫骨架润湿性、孔隙结构、表观气速和清液层高度对于鼓泡行为的影响。以此来探究多孔介质塔盘对于传质强化的机理，并得到如下结论：

（1）由于产生气泡的上升行为和气泡尺寸与孔口尺寸及表观气速密切相关，因此定义了多孔浸没孔口雷诺数（ReO，方程（1）和（2））去呈现孔口处的鼓泡状况，并定义了气泡的无量刚体积（方程（3）），然后根据泡沫塔盘上脱离气泡的行为将其分为三个区域（如图1所示）：

区域I（ReO<200）：没有聚并的单气泡，前导和尾随气泡相互不影响；

区域II（200<ReO<500）：配对聚并，尾部气泡受到前导气泡尾流的影响并产生配对聚并。

区域III（ReO>500）：双重聚并，由前导大气泡的强尾流效应引起的双重聚并。

图1 模拟结果与实验数据的对比

(2) ReO确定了分离泡沫塔盘的气泡体积。然后根据方程(4)-(6)获得相应的Ga、Eo和Mo。然后基于Ga-Eo的气泡分区图（图2）发现，从泡沫塔盘上脱离的气泡直径为7 mm-20 mm（650<Ga<3500; 1.5<Eo<15; Mo=2.633×10-11）。其分别为中心破碎气泡（图2（a））和尾部破碎气泡（图2（b）），基于Mo线发现（图2（c）），空气-水体系中产生的气泡至多跨越三种气泡状况，而以泡沫塔盘为孔口的鼓泡状况，仅包含中心破碎和尾部破碎两种状况（图2（d））。

图2（a）中心破碎气泡的主要时期和阶段；（b） 尾部破碎气泡的主要时期和阶段；（c） 气泡形状和行为的不同状态：状态I：轴对称区域；状态II：非对称区域代表非振荡区域；状态III：非对称区域代表振荡区域；状态IV：尾部破碎气泡；状态V：中心破碎气泡；（d） 多孔浸没孔板上气泡形状和行为的不同状态。

(3)模拟了五种气泡上升过程中的传质现象，发现其气液界面增率为状态V或状态III>状态IV>状态II>状态I。中心破碎的大气泡在上升过程中会产生2-6倍于气液界面增率（Ab/Ab,0）。在相同的气泡体积下，它具有最强的传质效率。这也解释了泡沫塔盘具有传质强化的原因。

亮点

1.使用计算机断层扫描重建多孔泡沫塔盘结构，并以此为计算域研究了多孔浸没孔口的鼓泡过程。

2.基于孔口雷诺数ReO及无量纲气泡体积Vo，提出了多孔泡沫塔板的鼓泡机理。

3.基于Ga，Eo，Mo对多孔泡沫塔板中气泡的形状和动态行为进行了研究，并分析了其变形过程中的传质行为。

相关成果以“The role of single deformed bubble on porous foam tray with submerged orifices on the mass transfer enhancement”为题发表在Frontiers of Chemical Science and Engineering(DOI: 10.1007/s11705-023-2363-3)。

作者及团队介绍

天津大学化工学院精馏中心团队

严鹏（第一作者），天津大学2019级博士研究生，现兰州理工大学石油化工学院讲师，在化工专业期刊AIChE Journal、Chem. Eng. Sci.、Fuel、 Front. Chem. Sci. Eng.、Chem. Eng. Res. Des.、J. Taiwan. Inst. Chem. E.发表SCI论文9篇，在国际国内会议上做报告5次。研究方向为多相流数值模拟，化工设备结构优化，多孔泡沫材料内部流动，微尺度界面涡流传质强化等。

高鑫（通讯作者），天津大学化工学院教授/博导，国家青年人才，中国化工学会微波能化工应用专委会副主任委员、中国石油和化工行业催化蒸馏技术工程研究中心副主任等；担任Sep. Purif. Technol.、Front. Chem. Sci. Eng.、J. Eng. Thermophy.等期刊编委/青年编委。长期从事微波能化工应用及其在分离过程耦合与强化领域的应用基础研究。先后承担国家自然科学基金联合重点项目、国家重点研发计划课题等科研项目，发表学术论文120 余篇，获授权发明专利30余件。突破了超高纯产品分离、含共沸难分离体系的化工生产过程节能与耦合强化等关键瓶颈，并实现系列工业化应用，成果获省部级科技奖3项、侯德榜化工科技青年奖等奖励。

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