覆盖厚渣层底吹冶金溶池的乳化行为冷模拟研究.pdf

2 0 1 3年第 1 期 现代冶金 1 5 覆盖厚渣层底吹冶金溶池的乳化行为冷模拟研究 加拿大 L e i l i T a f a g h o d i K H A J A V I 等 摘要 在 2 种相互作用但不能融合的液体混合过程中， 相间反应的总速率典型受界面化学反应 、 每相内的传质控 制， 或者是两者综合控制。存这些条件下 ， 两相之间的反应总速率与它们的界面性质密切相关， 特别是界面面积。 本研究主要内容是采用水模研究了底吹冶金系统中的乳化和相关增加的界面面积。研究 了2个不同的水 一油体 系， 液滴尺寸分布 、 水 一油界面面积的增加以及与它们相关的气体流速和液体的物理性能。计算了总的界面能和 表面耗散分数以及势能。 关键词 乳化； 液滴； 界面面积； 水模； 界面能 1 前 言 在许多化学和冶金工艺过程中， 采用气体喷吹 使溶池混合是人多数操作规程中的一个方法。相间 混合产生的液滴或乳化形式是含有 2个不相融合液 体体系的特征 ， 象炉渣和金属／ 不光滑这样的体 系。 例如 ， 在铁水熔化 的底吹熔池 中， 在炉渣 中形 成铁 滴， 提高气体流速， 强化了液滴悬浮作用。众所周 知 ， 在碱性氧气炼钢炉中， 喷射到炉渣内的金属液滴 能大大加速精炼反应。 已经完成了通过喷吹气体在搅拌的体系中产生 炉渣／ 金属液滴的几个试验和数学研究， 通过低温水 模以及炉渣 一 金属相互作用的高温研究， 分析了液 滴产生和乳化的机理 。例如， T a n a k a和 G u t h fi e报道 了石腊油在水 中以及水银在石腊油中的分布。在有 关水银／ 水 一 甘油和水银／ 酒精体系的单独研究中， 发现在气泡表面的较低液体薄膜相被上面相带走， 并且当气泡突然破裂时， 产生许多小液滴。Z a i d i 利 S o h n提出了金属 液滴尺 寸分 布和适 当的无 量纲数 特征操作条件之间的关系式。在高气体流速下， 超 出临界值时， 界面处的湍流使炉渣液滴卷入， 此现象 即是大家熟知的反乳化。因此 ， 在一些情况下， 此现 象可归因于高气体流速下的反应加速比率。另一方 面， D a y a l 及其同事在炉渣中发现了小颗粒的金属液 滴 ， 而在金属溶池中没有探测到炉渣液滴。 我们已经接受炉渣和金属之间的反应速率以及 传质速率对乳化现象的任何 自然贡献， 两相之间的 传质速率与界面面积直接相关， 具体表达式如下所 示 m k A C 6一C 。 1 此处， k 为传质系数， A为界面面积， c 一c 。 表示 穿过界面的浓度梯度。 为了预测传质动力学， 不得不量化其中的界面 面积。然而 ， 由于试验困难 ， 根据分散液滴产生的直 接测量界面面积数据很少。取样方法 ， 例如广泛采 用吸管技术量化液滴 尺寸和分布。但是， 由于液滴 破碎 、 聚合 的可能性或者优先取样 ， 如果不过多关注 取样， 大多数方法由于误差较大受到限制。除此之 外 ， 为了得到有意义的结果 ， 由于现象的随机 自然状 态 ， 大量的液滴 和试样 不得不分离 ， 因此 ， 需要进 行可靠的平均处理。不连续的测量方法实际上受到 限制 ， 例如吸管技术。 测量了 2个不相融合液体之间的示踪剂物种传 质速率 ， 作为乳化界面面积的象征。获得 了此领域 大多数研究的信息， 关于“ 表观” 或体积传质系数， 有时引用作 为传 质参 数 ， 相 当于方 程式 1 中的 。有几个在冷态系统中的传质速率研究， 例如 水／ 油 ， 苯 ， 水／ 环己烷 ， 水银／ 水相以及汞齐／ 水相 和熔体， 象铅／ 熔盐。积累了有关两个不相混合液体 之间总传质速率的大量知识， 通过监测在 2个液体 之间具有明确分配比的示踪剂传递。一些研究者尝 试避免界面湍流 ， 因而 ， 通过假定一个平面界面 ， 在 此界面内， 他们能够计算内在的传质系数。在 R i c h ． a r d s o n和他的小组早期完成 的研究中， 采用一个常 数界面面积获得传质系数。他们发现， 传质系数与 Q ／ A的平方根成比例， 此处， Q 为气体流速， A 为容器 横截面 平面界面面积 。 他们进一步说明了传质速 率与引入气体的方法无关 也就是单相或多相流 。 1 6 2 0 1 3年第 1 期 另一方面， P a t e l 等人在气泡搅拌的水相 一 有机体系 中， 发现了传质系数与 Q 陀成比例关系。A s a i 等人 通过分析住此领域 中先前研究得到的结果 ， 得到了 Q的指数范围， 从 0 ． 2 5～3 ． 0 。 在一个类似的传质研究方式中， 采用热示踪剂， S o h n等人指 出了在气体搅 拌的 T C E ／ 水和煤油／ 水 体系两个液体之间的总传热与液体的单位体积能量 输入速率成 比例。 一 般来说 ， 通过底吹产生的界面反应面积不能 根据测量的传输速率推断， 因为气体流速不同、 液滴 速度不 同， 因此， 传质系数 k 相当不 同。 所以， 传质 系数和界面面积不能从总的传质速率 分离开来。 其中一个参数必须量化， 或者传质系数， 或者计算另 一 个的界面面积 。 此研究针对量化 2个液体之间的 界面面积， 在不同乳化液中液滴尺寸分布的直接测 量 ， 乳化特征和界面面积的增加与现有厚油层相关 ， 其在先前的研究 中很少关注。 2 试验研究 采用带有油层 的水池作为试验 ， 用油层表示炉 渣， 圆柱体的溶池直径为 3 3 c m。图 l 给出了监测 中间相混合的设备示意图， 在所有试验 中， 通过喷吹 压缩空气搅拌溶池， 其位置位于容器中心底部的单 个中空喷嘴， 喷嘴直径为2 m m。表 1 提供了用于上 面相的两种油特征。 量计算乳化区的界面面积 。量化液滴的方法涉及到 探测停止喷吹气体时， 乳化的体积变化。通过分析 采用 高速 C C D相机得到的图片 ， 测量体积变化。乳 化体积的变化与从它们原始相分离的液滴相关 ， 采 用这种简单测量方法 ， 估算卷入的液滴总体积 。 为了获得液滴尺寸分布 ， 通过影像分析通用程序研 究达到稳态后以及试验过程中的几个静止图像。将 收集到的测量时间数据综合生成一组液滴尺寸分布 数据 ， 根据这些数据计算 S a u t e r 平均直径。采用每 个试验条件下的两类 图像 ， 第一类 图像是从不 同容 器部位得到 5～8 倍 图像 ， 分析这些图像获得液滴尺 寸分布。根据乳化区的体积 ， 测量每个试验条件下 的5 0～ 1 7 0个液滴的面积 m m 。第二类图像的放 大倍数较低 ， 展现了从测量乳化区厚度 的整个乳化 区。通过在容器外围 51 5个不同位置的测量平均 值计算此层高度。通过数字测径器也可直接测量这 些值 ， 通过与数字测径器得到的值进行 比较 ， 证实根 据图像分析得到的值 。 圆柱壁具有一个 曲率 ， 由于在水平方向上 图像 的伸展 ， 导致在测量的液滴面积上引入一个小的误 差。通过在水池相同地方水 中球化的五个图像 ， 校 正此误差 ， 在此位置的图像为液滴尺寸测量的图像。 将根据图像得到的球化尺寸与实际球化尺寸相对 比， 将0 ． 9 8 的修正因子应用到液滴尺寸中。 在相同容器中完成 了两个系列的试验， 用水作 为较低相 ， 煤油和硅树脂分别作为覆盖的渣层。在 这些试验中， 保持水的高度为一常数 1 9 ． 8 c m， 而油 的高度 从 3 ． 3 c m 变 化 到 1 6 ． 4 c m， 相 等 组距 为 3 ． 3 c m。在所 有油 高度情 况下 ， 空气 流 动速 率从 2 ． 1 3 l p m 变化到 l 3 ． 1 2 l p m。 体入 3 结果和讨论 结果和讨论 图1 用于模拟带有覆盖层的溶池混合设备示意图 表 1 煤油和硅树脂油 的物理性质 本研究的 目的在于量化乳化 区的界面面积 ， 它 需要获得油滴体积和尺寸的信息， 然后根据这些测 测量分散液滴的尺寸分布， 根据下列方程计算 S a u t e r 平均直径 d 和界 面面积 A ， 假定液滴为 球形 。 2 A 3 此处 ， d 为单个液滴的当量直径 ， 为卷入液滴的体 积。 图 2给出了在现有 6 ． 6 c m厚硅树脂油层情况 一 } 一 2 0 1 3年第 1期 1 7 下 ， 空气流动速率为 2 ． 1 3 l p m条件下形成的液滴影 像 。 图 2 在 气体 流速 为 2 ． 1 3 l p m 时 ， 在 6 ． 6 c m厚硅树脂油层 中形成的液 滴 3 ． 1 乳化液滴本质的确定 在气体搅拌的冶金熔池中， 金属在炉渣中的分 散是众所周知的现象。 其取决于操作变量 ， 例如气体 流速、 上部相的厚度 以及液体 的物理性质 ， 渣滴也可 能出现在金属 中。 正如先前所报道， 可能发生炉渣卷 入金属中的现象 ， 导致 炉渣和金属之间的传质速率 增加 。 为了确定乳化 的主要类型 ， 也就是直接 水滴 在油中或反相 油滴在水 中 ， 完成 了一系列简单 的测量和计算。 图3给出了乳化层形成后， 溶池不同 层的表现 ， h 和 h 分别乳化层形成后水和油 的厚 度。 正如前面所述 ， 乳化区在油和水两者之间的原始 界面两侧延伸 。 乳化区被划分成两个假定的部分 ， 由 于乳化后的溶池体积含量 和后来 的总溶池 高度 没有变化， 每个相对乳化区的体积贡献应该等于乳 化前和乳化后的体积变化。 换句话说 ， 在乳化区内卷 入 的水和油的体积分别等于 h 一h 7 r R 和 h 一 h 7 r ， 此处 R为容器半径。 帆一 5 ， l e m一 仇 一 ’ 初始舁晰 图 3 在 油和水两者之间形成的乳化 区示意图 已经知道每个试验 中水层 的初始高度 h 和 油层的初始高度 h ， 根据低倍数的影像图测量h 和 h 。 显然 ， 通过 已知的h 和h ， 根据方程式 4 和 5 分别计算 h 一 和 一 。 h e m 一 h 一h 。 4 h 一 h 一h ⋯ 5 h 一 和 一 的计算值提供了乳化 区的分数 ， 其 被每个相所 占据 。在 大多数试验条件下 ， 上面 的油 相充满 了乳 化区的 5 0 ％ 以上 4 3 ％ ～9 2 ％ 。通过 分析高倍影像图， 估计 5 5 ％ 一 8 4 ％的乳化区体积被 液滴占据， 第二相为残留物， 包围在它们的周围。这 种判断以下面假设为基础 ， 即在二维影像 图的液滴 分布来 自容器侧面 ， 该容器表示整个体积内的分布。 在大多数情况下 ， 从两个液体 的厚度获得液滴分数 之间的差别 ， 从影像分析得到的分数小于 1 0 ％。结 果， 合理的推断出液滴及其周围相分别是油和水。 假定卷人乳化区液滴的总体积 等于乳化区中的 油体积， 其可以根据方程式 6 计算而得。 仃 R h 一 s 6 3 ． 2 液滴在乳化液中的尺寸分布 正如前面讨论， 通过气体搅拌可大大促进任何 两相反应， 结果快速替代较低相， 并且增加了界面面 积。通过替代卷入乳化区液滴的总体积值 一 根据方程式 6 获得一返回到方程式 3 ， 计算乳化 区的界面面积。图 4给出了液滴的 S a u t e r 平均直径 S MD 和相关变量系数与气体流速 的关系。在水／ 硅树脂油体系中， 较大的液滴 S M D可能归因于较高 的硅树脂油粘度 ， 在给定速度梯度下 ， 其导致在界面 处产生较大 的剪应力 。这种巨大的剪应力能克服较 大的浮力， 该浮力阻止液滴的分离。换句话说， 具有 较大浮力的液滴 ， 也就是在水 一硅树脂油体系 中能 形成较大尺寸的液滴。正如一般趋势 ， 在水 一煤油 和水 一硅树脂油两个溶池中， 液滴的 S MD随气体流 速 的增加而减少 。气体流速的增加导致在上升流股 和上面相边缘处产生极端不稳定的水／ 油界面 ， 增加 的再循环速度强化气泡 的碰撞 。因此， 向下 的剪切 流动沿油带两边方向进行 ， 先前形成的液滴增加 ， 导 致在较高气体流速下形成小的液滴。 正如图 4所示 ， 增加的气体流速减少了水 一硅 树脂油体系的 S M D ， 但是， 在水 一 煤油溶池中， 在较 高流速下 ， 并且初始流速稳定 5 l p m时 ， 这种趋势并 不显著 。下面解释了在水 一煤油和水一硅树脂油溶 池中， S M D S和气体流速两者之间关系的差别。 1 8 2 0 1 3年第 1 期 气体流遮，l p _ 气体流迷。h lm ，凄 t 筌 至 塞 气 体 流 迷 ，j pI ． 煤油 均 ▲讯树胎油 均 ⋯ 口 ⋯ 煤汕 ⋯ 一 硅树脂油 G V 气体漉避。l 胂 气体流j jI I ，l p 咐 图4 在各种不同试验条件 下， 液滴尺寸分布的 S a u t e r 平均直径和系数 变化 当一个液滴经历邻近移动流体 的剪切力 时， 它 能保持停滞状态或被推人旁边， 这取决于它的惯性 和应力的大小。较大的液滴被推向远处的难度较 大， 因此 ， 它们更有可能被打碎成小的液滴。与之相 反 ， 对于惯性较小的液滴来说 ， 也就是尺寸较小的液 滴 ， 在界面向液滴周围移动 的速度代替 了液滴被打 碎的情况。硅树脂油滴的密度和尺寸大于煤油的尺 寸和密度 ， 因此 ， 通过增加气体流速 ， 它们能更容易 被分离成较小的液滴。所 以我们有理 由认为 ， 对于 一 个明确的液体和速度场体系， 其具有一个临界液 滴 尺寸 ， 即液滴不能发生破碎 的最小尺寸。这与图 4给出的结果相一致 ， 说明甚至在高流速情况下 ， 水 一 煤油溶池的平均液滴尺寸不能小于 2 4 m m。 液滴在乳化区的停留时间也对乳化液中的液滴 尺寸分布有极大影响。在较低相形成油滴后 ， 对产 生液滴的净向上力为重力和浮力两者之间的差 。显 然， 较小的向上力导致液滴进入上面相的速度较慢， 停 留的时间较长。因此 ， 水 一硅树脂油溶池 的密度 差 0 ． 0 4 g ／ c m 小 于水 一煤 油 溶 池 的 密 度 差 0 ． 2 1 g ／ c m ， 硅树脂液滴的停留时间大于煤油滴 的停留时间。另一方面 ， 大液滴 的停 留时间短于小 液滴的停 留时间 ， 因此 ， 有更多的大液滴返 回到上面 相 ， 而不是小尺寸 的液滴返同到上面相 。密度差对 大液滴的停留时间影响大于小液滴的情况 ， 因而， 在 水 一硅树脂油溶池 中， 保留在乳化液 中的大液滴分 数更多一些。换句话说， 可以将液滴划分成“ 大” 和 “ 小 ” 2个类别 ， 与水 一 煤油体系相比， 在水 一硅树脂 油溶池中， 保留在乳化液中的所谓大液滴分数更多 一 些 ， 因此 ， 在水 一硅 树脂油溶池 中的 S M D较大。 正如图4所示 ， 与水 一煤油体系相 比， 在水 一硅树脂 油溶池中的系数变化也较大 ， 这种现象 与上述的解 释相一致 ， 因为大液滴的进一步破碎产生 了更宽范 围的尺寸。在水 一 煤油体系中， 液滴本米达到最小 可能的尺寸 最稳定 ， 因此尺寸分布较窄。图 5和 图6 分别给出了在水 一 煤油和水 一 硅树脂油溶池乳 化层中的液滴尺寸分布。 3 ． 3 乳化行为对流体性质的依存关系 煤油和硅树脂油物理性质之间的差别能导致两 体系对溶池搅拌的不同反应。众所周知， 较高的油 密度可促进液滴 的形成 ， 因为在其离开界面过程 中 和离开界面后 ， 较低 的向上力 重力 和浮力两者之 间的净差 对其实施反作用 。期望减少两个流体之 间的界面张力 ， 可获得相同的作用 。界面张力 越高， 需要形成给定尺寸 的液滴界面能越多 。经常 采用韦伯准数分析流体流动， 此处在两种不同的流 体之间存在一个界面。其特别用作具有强烈曲面多 相流界面稳定性 的测量 ， 例如液滴和气泡 ， 具体如下 表示 r ‘ 耽 生 童 ． 晕；聚赣峨 硼露 』 a 弓B { ； 罨 ． 籁嚼 暑苫舞 2 0 1 3年第 1期 - 彘 垃 一 ● 譬 套 - 丑 芷 枣 纽 寺 鼍 霉 圣 专 毒 牵 渡辅 ， 啪 鼍 { 毒 警 挚 液澜 l’ t ，聃 冰 ● 短 1 3 2 _ 封 条 蛊 毒 室蔷 辛 霉挚 { l If 满建 聃 l l I 3 蚺 _ 翌 焱 蕊 毫 逢 0 毒 拿 霉 毒 零 散j 9 l l} ，M 杂 遵 毒 尊 警 毒 量 量 啬 毒 毒 毒 毒 枣 f I 鼙 漪儿、 } ．I 搠 渡消心‘ 聃 图5 在水 一煤油溶池中乳化区的液滴尺寸分布样本 { j ； i 毒 h 液渣尺寸。- _ 1 I| 0睾 毒 章 液浦殿寸， U 黛 - 芷 隶 芝 h 产l 3 ． 2 水 彗 隶 趣 鼍 摹 睾害毒睾毒毒 液游尺寸。肿 寺{等毒 霉毒 液滴 ㈣ 1 3 ； 2 毋 撼 彘 ； 奄≈鼍矗{警毒辜毒毒 液谪尺- 黼 l 2 ■ h 3 ‘ - ‘ 矗遗鼍童导喜毒耄耄 液激J q k m 图6 在水 一硅树脂 油溶池中乳化 区的液滴尺寸分布样本 l 3 ． 2 蠢 2 0 2 0 1 3年第 1 期 此处 ， P为流体密度， “为速度 ， 三为特征 长度 ， 即是有代表性地液滴直径， 为两个流体之间的界 面张力。 正如表 1 所示 ， 水 一煤油和水 一硅树脂油之 间的界面张力分别为 5 8 ． 2 d y n e ／ c m 和 6 3 ． 9 d y n e ／ c m。对于水 一煤油和水 一硅树脂油溶池 2个 液相 之间的密度差别分别是 0 ． 2 1 g ／ e m 和 0 ． 0 4 g ／ c m 。 正如图4所示 ， 在水 一煤油和水 一硅树脂油体系中， 油的高度为 3 ． 3 e m， 气体流速为 2 ． 1 3 l p m， 液滴的 S a u t e r 平均直径分别为 4 ． 3 8 m m和 1 1 ． 0 8 m m。在 这些条件下， 两个体系的韦伯准数可以用下式估算 W e 煤 油 0 ． 0 0 5 9 8 硅 树 脂 油 0 ． 0 1 6 6／／ , 9 对于其它试验条件 ， 可以获得类似的方程 ， 也就是说 ， 通过采用每个条件下己知的 S MD， 在不同的炉渣高度 和气体流速下。方程式 8 和 9 的系数变化分别介 于0 ． 0 0 2 9 0 ． 0 0 5 9利 0 ． 0 0 8 0～ 0 ． 0 1 6 6之间， 而在 水 一硅树脂油溶池中， 其值总是很大。常用方程式 8 和 9 讨论在水 一煤油和水 一硅树脂油体系中乳 化行为的差别。按照这些方程 ， 对于一个给定的速度 场米说 ， 在水 一 硅树脂油溶池中较大的乳化区可归因 于较少的稳态界面， 也就是说 ， 较大的韦伯准数。在 水 一硅树脂油体系中观察到 的液滴容易破碎以及乳 化进一步发生可作类似的证明解释。 3 ． 4乳化区的界面面积分析 图7给出了在不同煤油厚度情况下 ， 乳化区界面 面积与气体流速的函数关系。正如图中所见 ， 在重对 数图尺中， 界面面积几乎随气体流速的增加而线性增 加。从图中也可以清晰地看到， 在油层较厚 的溶池 中， 界面面积相对较大。这可能与上面相较厚的事实 有关， 在油和水两者之间的界面压力较大。这促进了 液滴从水中分离， 较深的油也能增加乳化区的高度 ， 其能导致液滴在乳状液中的停留时间较长。 醛 塞 ， o 鬻 气 体 流 速 ， l 胂 图7 煤油相作为上部相时， 乳化区的界面面积 图 8给出了在不同硅树脂油厚度情况下， 乳化 区的界面面积与气体流速的函数关系。与水 一煤油 溶池相类似 ， 界面面积随气体流速和油层厚度的增 加而增加。在 一些试 验条 下， 例 如气体流 速超 过 6 ． 6 6 l p m， 油层厚度大于 1 3 ． 2 c m时， 界面面积明显 增加 ， 直至达到两个数 量级 。然而 ， 当气体流速从 4 ． 7 1 l p m增加到 6 ． 6 6 l p m时 ， 从图中可 以看到 ， A 突然增加。该结果与观察到的情况相一致 ， 当气体 流速超过此临界值时 ， 整个油层被打碎成小的液滴 ， 然而， 在气体流速较低情况下， 仅有一定厚度层发生 乳化 。当硅树脂油厚度为 3 ． 3 e m时， 没有观察到面 积的突然增加 ， 因为在厚度条件下 ， 油层没有被完全 打碎成液滴 。从 中也可注意到， 对 于每个 油层高度 来说 ， 第二部分 图的斜率低 于第一部分 图的斜率 。 导致这种趋势的原因是气体流速增加到某一点后 ， 整个油层发生乳化 ， 达到此状态是气体流速的进一 步增加仅能将大液滴打碎成小液滴 。与整个液体被 分成无数个液滴 的情况相 比， 这个阶段对界面面积 的影响不是十分明显。在水 一煤油试验 中， 没有发 生 突然增加的现象 ， 因为在章节 2中提到的试验 条件 ， 仅有煤油层的分数被打碎成液滴。换句话说 ， 在水 一 煤油体系中， 残留油的分数作为一个 单独层 ， 不能进入乳化区， 这与早期讨论 的韦伯准数标准相 一 致。与水 一硅树脂油体系相 比， 在水 一煤油体系 中， 较小 的韦伯准数值意味着乳化更为困难。 譬 霎 萎 气体流速。l p m 竹 图8 硅树脂油相作为上部相 时， 乳化区的界面面积 3 ． 5 传质系数的估算 界面面积A 的独立估算可从表观传质速率常 数 k推导而得。 举例说 明， 此处讨论在 K i m和 F r u e h a n研究的 k值。 他们采用水和石蜡油 以及棉籽油 5 0 ／ 5 0混合物 体积 ， 分别作为上部相和下部相。 将 2 0 1 3年第 1期 2 1 苯甲酸棒溶解到水 中进行传质测量， 他们假定在 2个试验中， k 值相同。 在他们的研究中， 根据下列方 程测量 k A i 。 ，T r， a W k A C C df ’ 此处， c 和C 分别为界面和体积浓度， d w ／ d t 为在规 定时间内棒 的重重损失。 A为苯 甲酸棒在水 中的暴 露面积， 并且假定为棒顶端初始和最终面积的平均 值 。 图 8给出了在 K i m和 F r u e h a n试验条件下 ， 采 用获得趋势可能估算的界面面积。尽管在他们的试 验 中， 液 体 的物 理 性 质 P 0 ． 8 9 6 g ／ c m ， 1 9 ． 3 8 d y n e ／ c m， v 5 3 c s t 与本研究的液体性质并 不十分类似 ， 硅树脂油的物理性质 ， 特别是主要控制 传质系数的高粘度性质， 与本研究采用的硅树脂油 性质 相 当 接 近。 当 气 体 流 速 为 2 ． 7 2 、 3 ． 7 O和 4 ． 9 5 l p m时 ， 估算的 3 ． 3 c m厚硅树脂油层 中的界面 面积分别为 2 9 7 9 c m 、 4 2 7 5 c m 和 6 1 3 1 c m 。通 过这些数据 ， 由 K i m和 F r u e h a n估算 的 界值 ， 根 据上述条 件计 算 的传 质系数 分别为 2 ． 0 31 0 ～、 2 ． 11 0 一 和 4 ． 41 0～c m ／ s 。从中可以看到 ， 通过 他们获得的值比目前研究的值小 2 3 倍， 考虑到他 们的流体物理性质不同于现有研究的情况， 他们估 算的界面面积也非常近似， 认为具有较好的一致性。 3 ． 6 与乳化区界面现象有关的能量耗散 与乳化有关的能量耗散由两部分组成 需要形 成液滴的表面能 E 和在其它相需要保持液滴 的潜 能 E 。 在第一部分消耗的能量可以通过两个液相 之间界面张力的液滴多重总面积予 以估算。 E A 1 1 为了获得第二个组元 ， 应该计算作用在液滴上 的力 ， 该力等于重力和浮力之间的差值。 假定油滴的 平均位移等于乳化层厚度 的一半 ， 保持在水 中液滴 的潜能可通过方程式 1 2 计算。 h Ep ，d P 一P I ， d g 1 2 厶 总的能量与乳化区油滴的界面现象有关 ， 因此 可用方程式 1 3 计算 E ． 。 h E ．dA P 一P g 1 3 二 图 9给出了煤油作为上部相 中， 在乳化 区形成 液滴需要的表面能相对份额。在水 一煤油溶池中， 表面能对总界面能的贡献介于 8 0 ％ ～ 9 5 ％之间 ， 尽 管表面能的绝对值随气体流速和油层厚度的增加而 增加 ， 但是它在总界面能 中的相对 比例 随气体流速 和油层高度而减少 。根据 3 ． 2中关于通过增加气体 流速， 大液滴破 碎成小液滴 的讨论 ， 可预见这种趋 势。通过增加气体 流速 ， 大液滴破碎 成小液滴变得 更为重要。这种破碎对界面面积的作用不如对从体 积内形成液滴的作用更为明显。因此， 在高流速条 件 b， 很少影响产生此面积需要的表面能。通过增 加气体流速， 在总表面上产生的液滴破碎贡献变得 更多 ， 因此表面能的比例值减少 ， 并且在最后变成相 对常数。 气体} e 谜 l p m 图9 煤油作为上部相时， 与液滴形 成有关的表面能相对份额 在图 l O中可以看到类似的样式 ， 其给出了在硅 树脂油作为上部相时， 乳化区形成液滴需要的表面 能相对份额。在水 一硅树脂溶池 中， 表 面能与总界 面能 的百分 比介丁 5 5 ％ 一9 5 ％ 之间。这种在水 一 煤油和水 一 硅树脂油溶池关系之间的差别是在大约 6 ． 6 6 l p m时， 在水 一硅树脂油溶池 中表 面能 的相对 份额增加或变成相对常数。这个临界流速与界面面 积突然发生变化 的流速相一致。在此阶段 ， 进一步 增加流速仅能将大液滴打碎成小液滴， 表明卷走的 新液滴可以忽略不计 ， 因此卷走 的油滴体积 以及乳 化高度近似为一常数 ， 但是 ， 增加了界面面积。在这 种情况下， 潜能为相对常数 ， 而表面能增加导致液滴 破碎 。 图 1 1 给出了在水一煤油体系中， 在不同油层度 情况下 ， 总的界面能与气体流速的关系。显然 ， 当气 体流速和油层高度增加时， 用于形成和保持液滴的 能量发生消耗。直线斜率随油层高度的增加而增 加 ， 说明在油层高度较大时 ， 气体流速对界面能的影 响增加 。 鞲奄露I I ； f芒} 1 鞋基案蹿莨 氅弼 2 2 2 0 1 3年第 1 期 气体流速 I p lII 图 l 0 硅树脂油作为上部相时， 与液滴形成有关的 表面能相对份额 气体流速．1 I | l 图1 1 煤油作为上部相时， 与乳化区有关的界面能 图 l 2给出了在不同硅树脂油厚度情况下界面 能与气体流速的关系。正如在水 一 煤油体系中所讨 论 ， 当气体流速和油层高度增加时， 用于形成和保持 液滴的能量发生消耗 ， 并且在油层高度较高时 ， 界面 能对气体流速的依赖变得强烈。正如先前所预料的 结果， 在水 一 硅树脂油体系中， 在相同的临界气体流 速下， 界面面积出现了突然变化 。 趔 渔 绦 露 蹿 气fit tl l 艟 图 1 2 硅树脂油作为上部相时， 与乳化区有关的界面能 4结论 1 在水 一硅树脂 油溶池 中， 乳化 区的液滴尺 寸分布宽于水 一煤油溶池 中的情况。在试验条件 下 ， 可观察到界面面积明显增加 ， 达到两个数量级。 2 在水 一硅树脂油溶池 中乳化区的液滴 S a u ． t e r 平均直径大于水 一煤油溶池 中的平均直释。在 较高气体流速下 ， 液滴变得较小 ， 并且在特定尺寸下 最终变得稳定 。 3 随着气体流速和油层 高度 的增加 ， 界面面 积起到了反向乳化的结果 。 4 当整个油层被打碎成小液滴时， 界面面积 突然增加。对水 一 硅树脂油体系米说， 发生此现象 的临界气体流速值为 4 ． 7 1 l p m。 5 与乳化有关 的能量耗散 由两部分组成 液 滴的表面能或变形界面 ， 以及需要保持住其位置增 加表面的潜能。前者 占总能量 的大多数份额 ， 在本 研究试验条件下 ， 对 于水 一煤 油和水 一硅树脂 油 2个体系来说 ， 分别有 8 l ％ 一 9 3 ％和 5 3 ％ 一 9 5 ％的 界面能用于分离液滴。 张怀军译 I 1 I S I J I n t e ma t i o n a 1 2 0 1 0 。 N o ． 5 兰岳光校 欢 迎 广 大 读 者 踊 跃 投 稿 蛸 器{ l} 筒髯譬d ． 赫簿陵泰磷枯拦阻群 旧 淄 协 峨 ㈨ 吣 哪 1 ．． 避恒眷襄躜 羊 ． ★ ★ ★ ★ ★ ★ ★