論文標題：The role of single deformed bubble on porous foam tray with submerged orifices on the mass transfer enhancement（多孔泡沫塔板上單個變形氣泡對傳質增強機理的研究）

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

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

發(fā)表時間：15 Dec 2023

DOI：10.1007/s11705-023-2363-3

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背景及意義

具有多孔浸沒孔口的泡沫塔板使氣泡均勻分布，被認為是增強氣液傳質過程有潛力的塔內件。然而，它的不規(guī)則孔口和復雜的氣液流動使得其缺乏關于動態(tài)鼓泡傳質機制的研究。本研究基于計算機斷層掃描技術，獲得了泡沫塔盤的真實多孔結構。使用流體體積模型（VOF）和連續(xù)表面力（CSF）模型研究了多孔孔口處上升氣泡的形狀、動力學和傳質。結果表明，液體侵入氣體通道導致孔口速度增加，使尾部氣泡容易受前導氣泡影響，并導致聚并，進而產生尾部破碎氣泡和中心破碎氣泡。并且，我們發(fā)現中心破碎氣泡顯著提高了氣液界面面積和傳質效率。表明了泡沫塔板的傳質強化潛力，并有助于促進其進一步發(fā)展。

內容及主要結論

首先，采用斷層掃描技術重構出真實的多孔泡沫塔盤單元結構，以此結構作為多孔鼓泡孔口，研究了泡沫骨架潤濕性、孔隙結構、表觀氣速和清液層高度對于鼓泡行為的影響。以此來探究多孔介質塔盤對于傳質強化的機理，并得到如下結論：

（1）由于產生氣泡的上升行為和氣泡尺寸與孔口尺寸及表觀氣速密切相關，因此定義了多孔浸沒孔口雷諾數（ReO，方程（1）和（2））去呈現孔口處的鼓泡狀況，并定義了氣泡的無量剛體積（方程（3）），然后根據泡沫塔盤上脫離氣泡的行為將其分為三個區(qū)域（如圖1所示）：

區(qū)域I（ReO<200）：沒有聚并的單氣泡，前導和尾隨氣泡相互不影響；

區(qū)域II（200<ReO<500）：配對聚并，尾部氣泡受到前導氣泡尾流的影響并產生配對聚并。

區(qū)域III（ReO>500）：雙重聚并，由前導大氣泡的強尾流效應引起的雙重聚并。

圖1 模擬結果與實驗數據的對比

(2) ReO確定了分離泡沫塔盤的氣泡體積。然后根據方程(4)-(6)獲得相應的Ga、Eo和Mo。然后基于Ga-Eo的氣泡分區(qū)圖（圖2）發(fā)現，從泡沫塔盤上脫離的氣泡直徑為7 mm-20 mm（650<Ga<3500; 1.5<Eo<15; Mo=2.633×10-11）。其分別為中心破碎氣泡（圖2（a））和尾部破碎氣泡（圖2（b）），基于Mo線發(fā)現（圖2（c）），空氣-水體系中產生的氣泡至多跨越三種氣泡狀況，而以泡沫塔盤為孔口的鼓泡狀況，僅包含中心破碎和尾部破碎兩種狀況（圖2（d））。

圖2（a）中心破碎氣泡的主要時期和階段；（b） 尾部破碎氣泡的主要時期和階段；（c） 氣泡形狀和行為的不同狀態(tài)：狀態(tài)I：軸對稱區(qū)域；狀態(tài)II：非對稱區(qū)域代表非振蕩區(qū)域；狀態(tài)III：非對稱區(qū)域代表振蕩區(qū)域；狀態(tài)IV：尾部破碎氣泡；狀態(tài)V：中心破碎氣泡；（d） 多孔浸沒孔板上氣泡形狀和行為的不同狀態(tài)。

(3)模擬了五種氣泡上升過程中的傳質現象，發(fā)現其氣液界面增率為狀態(tài)V或狀態(tài)III>狀態(tài)IV>狀態(tài)II>狀態(tài)I。中心破碎的大氣泡在上升過程中會產生2-6倍于氣液界面增率（Ab/Ab,0）。在相同的氣泡體積下，它具有最強的傳質效率。這也解釋了泡沫塔盤具有傳質強化的原因。

亮點

1.使用計算機斷層掃描重建多孔泡沫塔盤結構，并以此為計算域研究了多孔浸沒孔口的鼓泡過程。

2.基于孔口雷諾數ReO及無量綱氣泡體積Vo，提出了多孔泡沫塔板的鼓泡機理。

3.基于Ga，Eo，Mo對多孔泡沫塔板中氣泡的形狀和動態(tài)行為進行了研究，并分析了其變形過程中的傳質行為。

相關成果以“The role of single deformed bubble on porous foam tray with submerged orifices on the mass transfer enhancement”為題發(fā)表在Frontiers of Chemical Science and Engineering(DOI: 10.1007/s11705-023-2363-3)。

作者及團隊介紹

天津大學化工學院精餾中心團隊

嚴鵬（第一作者），天津大學2019級博士研究生，現蘭州理工大學石油化工學院講師，在化工專業(yè)期刊AIChE Journal、Chem. Eng. Sci.、Fuel、 Front. Chem. Sci. Eng.、Chem. Eng. Res. Des.、J. Taiwan. Inst. Chem. E.發(fā)表SCI論文9篇，在國際國內會議上做報告5次。研究方向為多相流數值模擬，化工設備結構優(yōu)化，多孔泡沫材料內部流動，微尺度界面渦流傳質強化等。

高鑫（通訊作者），天津大學化工學院教授/博導，國家青年人才，中國化工學會微波能化工應用專委會副主任委員、中國石油和化工行業(yè)催化蒸餾技術工程研究中心副主任等；擔任Sep. Purif. Technol.、Front. Chem. Sci. Eng.、J. Eng. Thermophy.等期刊編委/青年編委。長期從事微波能化工應用及其在分離過程耦合與強化領域的應用基礎研究。先后承擔國家自然科學基金聯(lián)合重點項目、國家重點研發(fā)計劃課題等科研項目，發(fā)表學術論文120 余篇，獲授權發(fā)明專利30余件。突破了超高純產品分離、含共沸難分離體系的化工生產過程節(jié)能與耦合強化等關鍵瓶頸，并實現系列工業(yè)化應用，成果獲省部級科技獎3項、侯德榜化工科技青年獎等獎勵。

《前沿》系列英文學術期刊

由教育部主管、高等教育出版社主辦的《前沿》（Frontiers）系列英文學術期刊，于2006年正式創(chuàng)刊，以網絡版和印刷版向全球發(fā)行。系列期刊包括基礎科學、生命科學、工程技術和人文社會科學四個主題，是我國覆蓋學科最廣泛的英文學術期刊群，其中12種被SCI收錄，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相應學科國際權威檢索系統(tǒng)收錄，具有一定的國際學術影響力。系列期刊采用在線優(yōu)先出版方式，保證文章以最快速度發(fā)表。

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