(College of Chemistry and Chemical Engineering,Xiamen University,Xiamen 361005,China)
DOI: 10.6043/j.issn.0438-0479.201611031
备注
传质过程中出现的Marangoni对流现象,能够促进界面更新,影响传质面积,对传质过程产生重要的影响.针对气液和液液传质过程中的Marangoni对流相关领域的研究,对Marangoni对流的实验观测、理论分析及数值模拟的研究成果进行了系统的总结和展望.
The phenomenon of Marangoni convection in the mass transfer process can promote the interfacial renewal,affect the mass transfer area and have an important influence on the mass transfer process.In the light of the research of Marangoni convection in gas-liquid and liquid-liquid mass transfer processes, the experimental observation, theoretical analysis and numerical simulation results of Marangoni convection are systematically summarized and prospected.
引言
在气液和液液体系中,由于传质过程中液相化学和物理性质的改变,往往会引发界面运动的不稳定性,由此引发的界面宏观对流现象称之为界面湍动现象,其中由于界面处表面张力梯度的存在导致的对流现象称为 Marangoni 界面湍动,也称为Marangoni效应或Marangoni对流[1].
对于Marangoni对流,可用无因次Marangoni数(Ma)表征其强度:Ma=dΔσ/Dμ.其中:d为液膜厚度,m; Δσ为界面与主体浓度表征的表面张力差,N/m; D为溶质扩散系数,m2/s; μ为溶剂黏度,Pa·s.在传质过程中当液体表面张力增大即Δσ>0,导致Ma大于某一临界值时可引发Marangoni对流.
有序和无序对流是Marangoni对流的一般表现形式,其中有序对流有着统一的几何尺寸和相似的特点,包括细胞状、界面波形和多边形等规则的结构.但是在实际传质现象中主体湍动较为强烈,有序的Marangoni对流难以形成,界面上通常呈现无序对流结构.
1855年,Thompson[2]在酒精饮料表面第一次观察到Marangoni对流,之后涌现了许多针对其宏观对流结构的研究[3-12],得到了如细胞状、多边形、滚筒状等规则以及一些不规则的结构,加深了对Marangoni对流这一现象的直观认识,并为理论研究提供了实验依据.1900年,Bénard[13]首次研究了水平方向上液层的细胞对流,通过在静止的薄液层底部加热,观测到溶液表面产生了六边形蜂窝状对流结构; Mancini等[14]研究了蒸发潜热引发的对流流形,发现蒸发潜热使界面上形成垂直的温度梯度,进而产生表面张力梯度并引发Marangoni对流,所观察到的有序对流结构与Bénard的研究得到的对流结构非常相似.
Marangoni对流的实验观测、理论分析和数值模拟的研究成果,可有力地促进对传质微观机理的理解,有助于开发强化传质的技术措施和设备.
1 Marangoni对流的研究方法
3 表面活性剂对传质过程中Marangoni对流的影响
数十年来人们一致认为Marangoni对流的发生会导致传质速率的增大,使预测Marangoni对流的发生较为困难,特别是当表面活性剂存在时,会产生附加效果.
传统观点认为,由于少量的表面活性剂在相际界面产生附加的表面层,减弱或者消除了Marangoni对流,使得传质效率降低.大多数的研究表明表面活性剂对传质过程会造成不利影响.Arendt等[54]发现在甲苯-丙酮-水体系中非离子型表面活性剂聚乙二醇辛基苯基醚(TritionX-100)在界面上形成了单分子膜,从而减弱了界面的不稳定性,增加了界面的阻力,抑制了界面对流.Wegener等[55]研究了在甲苯-丙酮-水体系中Marangoni对流存在时,可溶性离子型表面活性剂十二烷基硫酸钠(SDS)对甲苯液滴上升速度及传质的影响,结果显示,即使添加少量的SDS,液滴上升速度仍较不加SDS时低,并且当SDS浓度较高时,界面运动就会受到阻碍.
但也有文献报道表面活性剂会增强或者促使Marangoni对流的产生.Agble等[12]观测了离子型表面活性剂十二烷基硫酸锂(LDS)、SDS 、十二烷基三甲基溴化铵(DTAB)以及非离子型表面活性剂Softanol 30、Softanol 120和ATLAS G1300对水油两相界面不稳定性的影响,发现离子型表面活性剂容易引发Marangoni对流,而非离子型表面活性剂对Marangoni对流无影响或有负面影响.Wang等[56]发现离子型和非离子型表面活性剂在浓度较低时都会抑制Marangoni对流的产生; 但当SDS浓度较高时,会引发液滴的震荡行为并伴随强烈的Marangoni对流,传质系数强化因子高达3.37～6.3; 而非离子型表面活性剂TritionX-100的质量浓度提高到0.5 g/L时,会引发一种烟状流动,但未观测到液滴震荡.Lee等[57]通过近浸没边界法和界面扩散假设研究了不可溶的表面活性剂对微通道内气泡和液滴的影响,结果表明极低浓度的表面活性剂就会引起Marangoni效应继而引发界面变形.马友光等[58]在乙醇吸收CO2的传质过程中,利用激光全息干涉技术研究了两种不同的表面活性剂对气液传质的影响,结果显示,加入低浓度的十二烷基磺酸钠导致传质速率和近界面溶质浓度均减小,以致总的传质通量随之减小; 加入聚丙烯酸同样会降低传质速率,但能使近界面溶质浓度增加,两个因素共同作用使传质通量增大.Álvarez等[59]在研究鼓泡塔中含SDS的水溶液吸收CO2的过程中发现,当SDS浓度低于一定值时,随着SDS浓度的增加传质效果增强.Still等[60]同样研究了SDS对胶体液滴蒸发的影响,结果表明,SDS的加入诱发了空气-水界面的Marangoni对流,从而使胶体颗粒的沉积更加均匀.
由此可见,表面活性剂对传质过程的影响是一个非常复杂的过程,并且由于不同类型的表面活性剂对Marangoni对流的影响不同,有抑制或者强化的作用,为人工调控Marangoni对流提供了一种可能的路径.
4 宏观传质设备内的Marangoni对流研究
关于Marangoni对流对传统的气液或者液液接触装置中传质过程的影响的相关报道相对较少.这是因为很多研究者觉得Marangoni对流的强度较弱,只存在于界面处,在考虑对实际传质过程的影响时一般予以忽略,并且早期的一些宏观传质设备内Marangoni对流的研究成果并没有被应用到实际工业过程中.但随着人们对传质微观机理的深入研究,Marangoni对流的现实意义得到越来越多的重视,许多研究者也开始关注宏观传质设备内Marangoni对流的研究.
Jia等[61]将乙醇气体加入到CO2中,以增强鼓泡塔中水吸收CO2的程度,研究发现传质系数随着气相中乙醇浓度的增加呈现驼峰状的变化趋势.冼爱平等[62]较早提出了利用Marangoni对流制备均质的偏晶合金技术,该技术后来被广泛地应用于偏晶合金的制备中.王宝和[63]介绍了一种用于晶片表面的Marangoni干燥技术,它可以弥补传统离心甩干法和蒸汽干燥法的不足.
工业化工传质设备中,液液或者气液两相是通过一定的介质相互接触的,所以研究填充介质设备中Marangoni对流对传质的影响,更具有实际意义.Post 等[64]提出了一种新颖的实验方法,建立了两套分别以平面间隙板和球形颗粒为填充物的装置,在研究异丙醇水溶液的蒸发过程中,探讨Marangoni对流、填充物间隙宽度、颗粒直径大小对气液传质的影响.他们在一维计算模型的基础上,最终得出Marangoni 效应作用下的增强因子关联式:对于填充物为平面间隙板来说,Eh=5×10-3[(Re+Ma)/DSc]4/5,而填充物为球形颗粒时,Eh=29.47[(Re+ΓMa)/Sc]4/5,其中,Eh为增强因子,DSc为阻尼函数,Γ为结构系数.Proctor 等[65]使用不同尺寸的规整填料和不规整填料研究了Marangoni 效应对精馏传质的影响.耿皎课题组[66-67]考察了Marangoni对流对规整填料液体流动分布及传质的影响,结果表明,Marangoni对流对纯有机体系影响较小,而对有机物-水溶液体系,它是造成填料润湿差和传质效率下降的主要原因.另外,他们通过多种正体系和负体系精馏实验,还考察了Marangoni对流对填料塔中传质过程的影响,研究指出,正体系的气相体积总传质系数与组成无关,仅受流量的影响; 而Marangoni对流使得负体系的气相体积总传质系数沿着液相流动方向逐渐减小.其中,沿流动方向溶液的表面张力逐渐增大,塔内形成正的表面张力梯度的体系为正体系,负体系情况则刚好相反.这些研究结果表明,在实际的宏观传质设备中,Marangoni对流对流体的流动和传质效率有着很大的影响,值得深入研究.
5 结论与展望
Marangoni对流涉及了界面现象、传质过程和流体力学计算等多个领域,由于其复杂性,对Marangoni对流及其对传质的定量影响目前认识尚未清晰,对于各种因素相互作用下的气液或液液复杂传质体系,例如实际工艺条件下的吸收、精馏及萃取过程,目前尚难以准确地预测和描述Marangoni对流现象,因此今后可在实际工艺条件下对Marangoni对流进行深入的实验和理论研究.目前借助于计算流体力学等现代流体计算学方法,对Marangoni对流的数值模拟展现了良好的前景,对于简单传质体系的计算结果同实验结果吻合良好,由于计算流体力学方法扩展性好,可以描述复杂传质体系,其应用前景十分广阔.
- [1] 沙勇,成弘,余国琮.质量、热量传递过程中的Marangoni效应[J].化学进展,2003,15(1):9-17.
- [2] THOMPSON J.On certain curious motions observable at the surfaces of wine and other alcoholic liquors[J].Phil Mag,1855,10(67):330-335.
- [3] LANGMUIR I,LANGMUIR D B.The effect of monomolecular films on the evaporation of ether solutions[J].The Journal of Physical Chemistry,1927,31(11):1719-1731.
- [4] LOWENTHAL M.Tears of strong wine[J].Phil Mag,1931,12(77):462-472.
- [5] SHA Y,YE L.Unordered roll flow patterns of interfacial turbulence and its influence on mass transfer[J].Journal of Chemical Engineering of Japan,2006,39(3):267-274.
- [6] LINDE H,VELARDE M G,WIERSCHEM A,et al.Interfacial wave motions due to Marangoni instability[J].Journal of Colloid and Interface Science,1997,188(1):16-26.
- [7] PERTLER M,HÄBERL M,ROMMEL W,et al.Mass transfer across liquid-phase boundaries[J].Chemical Engineering and Processing:Process Intensification,1995,34(3):269-277.
- [8] SUN Z F,YU K T,WANG S Y,et al.Absorption and desorption of carbon dioxide into and from organic solvents:effects of Rayleigh and Marangoni instability[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2002,41(7):1905-1913.
- [9] SHI Y,ECKERT K.Orientation-dependent hydrodynamic instabilities from chemo-Marangoni cells to large scale interfacial deformations[J].Chinese Chem Eng,2007,15(5):748-753.
- [10] CHANGXU L,AIWU Z,XIGANG Y,et al.Experimental study on mass transfer near gas-liquid interface through quantitative Schlieren method[J].Chemical Engineering Research and Design,2008,86(2):201-207.
- [11] OKHOTSIMSKII A,HOZAWA M.Schlieren visualization of natural convection inbinary gas-liquid systems[J].Chem Eng Sci,1998,53(14):2547-2573.
- [12] AGBLE D,MENDES-TATSIS M A.The effect of surfactants on interfacial mass transfer in binary liquid-liquid systems[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2000,43(6):1025-1034.
- [13] BÉNARD H.Les tourbillons cellulaires dans une nappe liquid[J].Rerue Gén Sci Pures Appl,1900,11:1261-1271.
- [14] MANCINI H,MAZA D.Pattern formation without heating in an evaporative convection experiment[J].Europhysics Letters,2004,66(6):812.
- [15] SZYMCZYK J A.Marangoni and buoyant convection in a cylindrical cell under normal gravity[J].The Canadian Journal of Chemical Engineering,1991,69(6):1271-1276.
- [16] ZHANG N,CHAO D F.Mechanisms of convection instability in thin liquid layers induced by evaporation[J].Int Comm Heat Mass Transfer,1999,26:1069-1080.
- [17] SCHWABE D.Marangoni instabilities in small circular containers under microgravity[J].Experiments in Fluids,2006,40(6):942-950.
- [18] 沙勇,陈虹伶,李樟云,等.皂膜解吸 Marangoni 对流观察及分析[J].化学工程,2010,38(7):35-38.
- [19] 江桂仙.气液界面湍动现象研究[D].厦门:厦门大学,2010:25-39.
- [20] 陈虹伶.单液滴传质过程界面湍动现象[D].厦门:厦门大学,2011:27-30.
- [21] 沙勇,叶李艺.界面湍动对湿壁塔液相传质系数的影响[J].厦门大学学报(自然科学版),2005,44(5):672-674.
- [22] 周超凡,余黎明,曾爱武,等.气液界面 Marangoni 效应对传质系数的影响[J].高校化学工程学报,2005,19(4):433-437.
- [23] SHA Y,CHENG H,YU Y H.The numerical analysis of the gas-liquid absorption process accompanied by Rayleigh convection[J].Chinese Chem Eng,2002,10(5):539-544.
- [24] WARMUZIN'SKI K,BUZEK J.A model of cellular convection during absorption accompanied by chemical reaction[J].Chemical Engineering Science,1990,45(1):243-254.
- [25] BRIAN P L T.Effect of Gibbs adsorption on Marangoni instability[J].AIChE Journal,1971,17(4):765-772.
- [26] 周超凡.Marangoni效应与其他因素对传质系数影响的研究[D].天津:天津大学,2005:26-29.
- [27] PEARSON J R A.On convection cells induced by surface tension[J].Journal of Fluid Mechanics,1958,4(5):489-500.
- [28] ISA S P M,ARIFIN N M,NAZAR R,et al.Effect of non-uniform temperature gradient and magnetic field on onset of Marangoni convection heated from below by a constant heat flux[J].Applied Mathematics and Mechanics,2010,31(7):797-804.
- [29] HOYAS S,FAJARDO P,PÉREZ-QUILES M J.Influence of geometrical parameters on the linear stability of a Bénard-Marangoni problem[J].Physical Review E,2016,93(4):043105.
- [30] KANG K H,CHOI C K,HWANG I G.Onset of solutal Marangoni convection in a suddenly desorbing liquid layer[J].AIChE Journal,2000,46(1):15-23.
- [31] SIMANOVSKII I B.Nonlinear oscillatory convective regimes in a three-layer system with an inclined temperature gradient[J].Physical Review E,2011,84(1):016306.
- [32] CHUN C H.A micro-gravity simulation of the Marangoni convection[J].Acta Astronautica,1978,5(9):681-686.
- [33] 唐泽眉,李家春.微重力环境下 Marangoni 对流的有限元数值模拟[J].力学学报,1991,23(2):149-156.
- [34] ZHAO J F,LI Z D,LI H X,et al.Thermocapillary migration of deformable bubbles at moderate to large Marangoni number in microgravity[J].Microgravity Science and Technology,2010,22(3):295-303.
- [35] KAWAMURA H,NISHINO K,MATSUMOTO S,et al.Report on microgravity experiments of Marangoni convection aboard international space station[J].Journal of Heat Transfer,2012,134(3):031005.
- [36] WANG J,WANG Z,LU P,et al.Numerical simulation of the Marangoni effect on transient mass transfer from single moving deformable drops[J].AIChE Journal,2011,57(10):2670-2683.
- [37] CHEN S,YUAN X,FU B,et al.Simulation of interfacial Marangoni convection in gas-liquid mass transfer by lattice Boltzmann method[J].Frontiers of Chemical Science and Engineering,2011,5(4):448-454.
- [38] 朱明.降膜流动的强化与气液传质的研究[D].天津:天津大学,2011:20-23.
- [39] JAVADI A,KARBASCHI M,BASTANI D,et al.Marangoni instabilities for convective mobile interfaces du-ring drop exchange:experimental study and CFD simulation[J].Colloids and Surfaces A:Physicochemical and Engineering Aspects,2014,441:846-854.
- [40] LEWIS J B,PRATT H R C.Oscillating droplets[J].Nature,1953,171:1155-1156.
- [41] GARNER F H,NUTT C W,MOHTADI M F.Pulsation and mass transfer of pendent liquid droplets[J].Nature,1955,175(4457):603-605.
- [42] HAYDON D A.Oscillating droplets and spontaneous emulsification[J].Nature,1955,176(4487):839-840.
- [43] LODE T,HEIDEGER W J.Single drop mass transfer augmented by interfacial instability[J].Chemical Engineering Science,1970,25(6):1081-1090.
- [44] LU P,WANG Z,YANG C,et al.Experimental investigation and numerical simulation of mass transfer during drop formation[J].Chemical Engineering Science,2010,65(20):5517-5526.
- [45] WEGENER M.A numerical parameter study on the impact of Marangoni convection on the mass transfer at buoyancy-driven single droplets[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2014,71:769-778.
- [46] STEINER L,OEZDEMIR G,HARTLAND S.Single-drop mass transfer in the water-toluene-acetone system[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,1990,29(7):1313-1318.
- [47] ENGBERG R F,KENIG E Y.Numerical simulation of rising droplets in liquid-liquid systems:a comparison of continuous and sharp interfacial force models[J].International Journal of Heat and Fluid Flow,2014,50:16-26.
- [48] ENGBERG R F,WEGENER M,KENIG E Y.The influence of Marangoni convection on fluid dynamics of oscillating single rising droplets[J].Chemical Engineering Science,2014,117:114-124.
- [49] ENGBERG R F,WEGENER M,KENIG E Y.The impact of Marangoni convection on fluid dynamics and mass transfer at deformable single rising droplets:a numerical study[J].Chemical Engineering Science,2014,116:208-222.
- [50] POHORECKI R,KRUSZEWSKI J,DUCZMAL B.The influence of surface phenomena on the interfacial area during absorption/desorption on a sieve plate[C]∥Institution of Chemical Engineers Symposium Series.[S.l.]:Hemsphere Publishing Corporation,1992:A69.
- [51] 张志炳,耿皎,张锋,等.Marangoni 效应与汽液传质过程[J].化工学报,2003(4):508-515.
- [52] 邹华生,黄晨,程小平.超声场与添加剂对鼓泡塔中传质性能的影响[J].高校化学工程学报,2013,27(4):567-572.
- [53] WU H.Effect of interfacial phenomena on mass transfer performance of an absorber packed closely with cylindrical packing[J].Chemical Engineering Journal,2014,240:74-81.
- [54] ARENDT B,EGGERS R.Interaction of Marangoni convection with mass transfer effects at droplets[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2007,50(13):2805-2815.
- [55] WEGENER M,PASCHEDAG A R.The effect of soluble anionic surfactants on rise velocity and mass transfer at single droplets in systems with Marangoni instabilities[J].International Journal of Heat and Mass Transfer,2012,55(5):1561-1573.
- [56] WANG Z,LU P,ZHANG G,et al.Experimental investigation of Marangoni effect in 1-hexanol/water system[J].Chemical Engineering Science,2011,66(12):2883-2887.
- [57] LEE J,POZRIKIDIS C.Effect of surfactants on the deformation of drops and bubbles in Navier-Stokes flow[J].Computers & Fluids,2006,35(1):43-60.
- [58] 马友光,汪晓红,成弘,等.表面活性剂对气液传质的影响[J].化工学报,1998(3):358-361.
- [59] ÁLVAREZ E,GÓMEZ-DÍAZ D,NAVAZA J M,et al.Continuous removal of carbon dioxide by absorption employing a bubble column[J].Chemical Engineering Journal,2008,137(2):251-256.
- [60] STILL T,YUNKER P J,YODH A G.Surfactant-induced Marangoni eddies alter the coffee-rings of eva-porating colloidal drops[J].Langmuir,2012,28(11):4984-4988.
- [61] JIA X,HU W,YUAN X,et al.Influence of the addition of ethanol to the gas phase on CO2 absorption in a bubble column[J].Industrial & Engineering Chemistry Research,2014,53(24):10216-10224.
- [62] 冼爱平,张修睦,李忠玉,等.利用 Marangoni 对流制备均质偏晶合金[J].金属学报,1996,32(2):113-119.
- [63] 王宝和.Marangoni干燥技术[J].干燥技术与设备,2009,7(1):3-6.
- [64] POST S,URUKOVA I,TSOTSAS E.Interfacial convection during evaporation of binary mixtures from porous obstacles[J].AIChE Journal,2005,51(12):3257-3274.
- [65] PROCTOR S J,BIDDULPH M W,KRISHNAMURTHY K R.Effects of Marangoni surface tension forces on modern distillation packings[J].AIChE Journal,1998,44(4):831-835.
- [66] 耿皎,洪梅,肖剑,等.规整填料塔精馏的Marangoni效应[J].化工学报,2002,53(6):600-606.
- [67] 耿皎,洪梅,张锋,等.Marangoni效应对填料塔精馏传质过程的影响[J].化学工程,2003,31(2):7-12.
1.1 实验观测1.1.1 直接观测法当相界面可视时,一般以示踪剂显影测量法、粒子成像测速(PIV)法及光学测量法等直接观测Marangoni对流现象.
示踪剂显影测量法,是在液相中添加细微铝粉、铝箔及光敏材料等示踪物质,观察其伴随界面流体流动的轨迹,以此获得界面对流流场的变化信息[15-16].Schwabe[17]以铝箔作为示踪剂,在微重力下通过加热平坦自由液层从而产生Marangoni对流,观察到了对称的多边形、射线状等多种流型结构.
通过摄取激光片光源照射散播在流场区域的示踪粒子图像的帧序列,并对相邻两帧图像序列之间的时间间隔进行图像相关分析,识别示踪粒子图像的位移,从而得到流体的速度场,即为PIV法.Shi等[9]发现界面处发生的化学反应会导致表面张力变化,从而产生 Marangoni对流.PIV法既具备了高精度和高分辨率,同时又能获得平面流场的整体结构和瞬态图像,但其对硬件的要求较高,而且示踪粒子的性能直接影响到测试的精度,使其在Marangoni对流研究中受到限制.
示踪剂显影测量法和PIV法均需在流体中添加可能对流场造成干扰的示踪剂,不能准确地反映流场信息.光学观测法具有对流动介质无干扰,对研究区域无影响的特点,被广泛应用于流体流动的研究中.其原理是通过记录光线在折射率不均匀的透明流场介质中传播路线的变化信息,来显示流场中肉眼无法识别的Marangoni对流现象,包括激光全息干涉条纹法、纹影法和投影法.
通过纹影法,利用丙酮在竖直下降皂膜中的解吸过程,沙勇等[18]第一次观察到微米级厚度皂膜中由于传质引发的Marangoni对流纹影图像,如图1所示,显示Marangoni对流呈现出竖直排列的滚筒状结构.利用投影法,江桂仙[19]研究了多种双组分溶液挥发过程中气液相界面所引发的Marangoni对流.陈虹伶[20]同样采用投影法,通过实验观测了水平方向上不同双组分体系液滴在气液相界面出现的 Marangoni 对流,如图2所示,结果显示不同体系的对流结构有所差别,而在同一体系下,液滴直径和溶质浓度都会对界面的对流结构产生影响.
![图1 竖直下降皂膜的纹影图像[18]<br/>Fig.1 Schlieren images of falling soap film[18]](2017年06期/pic15.jpg)
图1 竖直下降皂膜的纹影图像[18]
Fig.1 Schlieren images of falling soap film[18]![图2 水平面液滴界面 Marangoni 对流结构[20]<br/>Fig.2 Marangoni convection at the interface in the horizontal plane[20]](2017年06期/pic16.jpg)
图2 水平面液滴界面 Marangoni 对流结构[20]
Fig.2 Marangoni convection at the interface in the horizontal plane[20]与纹影法相比,投影法的设备条件及操作较为简单,但是它针对的是整幅图像的投影,不能反映物体内部的运动.而纹影法的最大缺点是成像对比度小,且需要专门的纹影仪设备,价格昂贵,但操作简单、光学灵敏度较高,并且能够弥补投影法的缺点,因此在流体力学观测上应用更加广泛.
1.1.2 间接测量法在传质过程中引发的 Marangoni对流可以加快界面更新并促进溶质向主体的渗透,对传质过程有着极大的增强作用.在Marangoni对流发生时,传质系数会明显地高于只依赖扩散机理作用时的传质系数,因此观测传质系数的变化,就可以间接地判断是否发生了Marangoni对流,进一步引入关联式可以间接地衡量Marangoni对流对传质效果的强化程度.
沙勇等[21]研究了湿壁塔中乙醚解吸过程中Marangoni对流对传质的影响,引入增强因子F,通过计算F即可以间接地衡量Marangoni对流对传质效果的强化程度,进一步的实验数据拟合结果显示增强因子F和Ma之间具有幂函数关系,与不考虑 Marangoni对流的扩散传质相比,Marangoni对流显著地增大了液相传质系数.可以用Sherwood数(Sh)和Ma的关联式Sh∝Man来表示Marangoni对流和传质系数之间的关系:周超凡等[22]建立了一套气液传质设备,得出传质系数的增大是Marangoni对流发生的原因,并同样引入增强因子F,证实了Marangoni对流极大地促进了传质效率,关联得到液相Sh、Ma和Reynolds数(Re)之间的关系为Sh=0.015 4 Ma0.561 9Re0.348 5; Sha等[23]指出,当Ma大于一定的临界值时,传质效果会被加强,式中Ma的指数n随 Marangoni 对流胞类型的不同,在 1/3～1之间变化; Warmuziński等[24]采用稳定性的线性化理论在乙醇胺水溶液吸收二氧化碳时得到n=0.265; Brian[25]在丙酮从水溶液中解析的实验中得到n=0.25,然而在其他物系传质过程中n增加到0.5～1.01之间; 周超凡[26]利用4种有机溶剂与氮气的气液传质中得到n在0.1～0.6之间变化.这些研究得到的定量关系式既有相似又有区别,目前还没有得到一个一致性的定量关系.
1.2 理论分析单纯的采用实验手段无法从微观上详细说明界面的不稳定性,也无法完整地了解Marangoni对流的实质,对其微观机理的认识可加深对传质过程的理解,这时借助理论方法显得至关重要.对Marangoni对流的理论研究主要集中在线性稳定性和非线性不稳定性分析上.
因为Marangoni对流的本质是非线性的,故对其直接采用理论分析很难行得通.许多学者采用小扰动分析的线性理论忽略方程中的非线性项,对其进行合理的简化,由此将其进行线性化表述,这样就极大地降低了求解的复杂性.Pearson[27]较早地使用线性稳定性分析理论研究加热薄液层下的 Marangoni对流,分析了表面张力引发的胞状对流运动情况及Marangoni对流出现的Ma临界值; Brian[25]在Pearson研究的基础上引入了Gibbs吸附层的影响,结果表明Brian提出的边界条件更为接近实际情况,其研究成果也被许多研究者采用,但后来一些研究者的实验结果指出由于其理论分析过于简化而存在偏差.近年来,一些研究者取得了越来越接近实际的理论分析结果.Isa等[28]通过下部加热、上部冷却水平流体层的方式,对Marangoni对流线性稳定性分析做了详细的研究,分析了温度、磁场等参数对Marangoni对流作用的影响.Hoyas等[29]对平板上薄液膜的Marangoni对流情况进行了线性稳定性分析,考察了重力和Bond数等几何参数对Marangoni对流的线性稳定性的影响.
但是Marangoni对流的线性化表述并不适合所有的情况,在 Marangoni 超临界点区域,已有的线性理论均不能很好地解释实验现象,此时就需要考虑数学模型中的非线性项.Kang等[30]基于非线性理论分析方法,在忽略表面扩散和考虑Gibbs吸附影响下,得出一组新的稳定性方程,发现通过减小Schmidt数(Sc)和Biot数(Bi),液体层变得更稳定.Simanovskii[31]研究了在浮力和热毛细效应存在下的多层系统中震荡不稳定性的非线性发展,通过有限差分法研究对流状态,结果表明,震荡具有不对称性,且其不稳定性的发展导致特定类型的非线性震荡,非线性震荡区域从下往上都会受到Grashof数(Gr)的影响.
1.3 数值模拟当非平衡限制条件能够引发界面湍动时,应用理论分析的方法研究Marangoni对流就会产生一定的偏差,并且通过理论分析对Marangoni对流进行详尽的线性、非线性分析是十分困难的,数值模拟则可以避免目前实验观测和理论求解的困难,提供获取Marangoni流场信息的可能性,因此数值模拟得到了研究者的关注.
计算流体力学的发展也为研究者提供了不同的方法来研究不同条件下的Marangoni对流.在无重力或者微重力的条件下,许多研究小组[32-35]利用有限元数值模拟考察了Marangoni对流对液体稳定性及外形的影响.Wang等[36]运用水平集方法,模拟了单液滴与不混溶液体间的传质过程,结果表明溶质浓度足够高时会引发Marangoni对流,增强相间传质,其模拟结果与实验数据一致.Chen等[37]基于格子波尔兹曼方法,提出了固定扰动和自再生界面两种模型模拟气液传质过程中的Marangoni对流,模拟结果与实验数据具有很好的一致性.朱明[38]利用VOF(volume of fluid)模型模拟降膜流动过程,计算过程中的Marangoni对流源项,合理地解释了传质中表面张力梯度的变化,实现了流体力学与传质过程的结合.Javadi等[39]则模拟了在液滴内添加表面活性剂所引发的Marangoni对流,结果显示实验引发Marangoni对流的时间比模拟结果迟10 s左右,进一步的分析表明延迟可能是由于实际过程中界面的波动防止了界面吸收层的建立,抑制了Marangoni对流的发生.
与理论分析方法相比,数值模拟Marangoni对流可以避开复杂的传质微分方程组的求解困难,可反映较为真实的伴有Marangoni对流的传质过程,尤其是Marangoni对流引发之后的发展过程,及其对传质的影响.另外,迅速发展的计算流体力学,使得通过模拟计算求解非线性问题的数值解变得可能,与其相结合,利用数值模拟研究Marangoni对流将成为一个重要途径和趋势.
2 液液和气液传质体系中的Marangoni 对流
传质过程在精馏、吸收、蒸发和萃取等化工操作过程中发挥着重要的作用,如何提高传质效率是人们一直关心的问题,而Marangoni对流能够加快传质速率,所以对传质过程中Marangoni对流的研究在实际化工过程中更具有指导意义.
2.1 液液传质体系Lewis和Pratt[40]较早利用悬滴法测量液液传质体系相界面的表面张力,观察到了液液界面处的界面湍动.随后Garner等[41]和Haydon[42]同样采用悬滴法观测到这种液液界面湍动,并证实其为液液界面处发生了Marangoni对流,而不是由于溶质的扩散作用,并且发现Marangoni对流发生时传质速率明显增大数倍.后来研究者研究更多的是单液滴为分散相的液液传质体系,这是因为在萃取、精馏等液液传质过程中,广泛存在着以液滴为分散相的两相流传质过程,并时常伴有界面湍动现象的发生.因此,研究单液滴与连续相的传质过程,是研究液液传质体系中Marangoni对流的出发点.
Lode等[43]采用摄像技术测量了单液滴形成后的传质速率,结果表明发生Marangoni对流时传质速率明显高于稳定系统的预测结果.Lu等[44]以醋酸为溶质,在甲基异丁基酮-醋酸-水体系中研究了静止单液滴内,溶质在分散相与连续相中扩散时Marangoni对流对传质的增强作用,结果表明,溶质浓度越大,界面Marangoni对流越激烈,其对传质系数的增强效果也越明显,且液滴形成时间也越短.Wegener[45]运用3D模拟手段,考察了液滴直径、运动黏度比和界面张力梯度等参数对Marangoni对流引发界面流动下单液滴传质的影响.
对于运动的液滴,Steiner等[46]在水-甲苯-丙酮体系中考察了丙酮液滴传质方向的情况,发现Marangoni对流对传质有显著的增强作用,且溶剂纯度越高对传质的增强效果越好,同时传质方向在很大程度上影响其对传质的增强作用,当丙酮从甲苯向水中传递时传质速率较高.Engberg等[47-49]近年来较为系统地通过数值模拟及实验验证了Marangoni对流对有机相单液滴在静止水相中上升过程的影响,比较了液滴形状、上升速度、轨迹的数值模拟和实验结果,结果表明,无论是利用虚拟流方法还是连续表面力方法,液滴形状及上升速度的模拟结果基本上都符合实验研究及文献报道的结果,二者的差异主要源于传质中网格分辨率的不足.
2.2 气液传质体系在气液传质过程中,Marangoni对流通过影响气液有效传质面积,从而影响传质效率.Pohorecki等[50]测量了用水作溶剂吸收4种混合物气体体系的有效传质面积,结果显示有效传质面积从大到小依次为正体系、中性体系和负体系; 对于气体呈泡沫状态下的气液吸收而言,Marangoni对流会抑制气泡间的聚并,改变气液传质面积从而影响气液传质.张志炳等[51]发现在鼓泡状态下,正体系中液相表面张力随分浓度的增加而减小,阻止了气泡聚并,增大了有效传质面积; 对于负体系,鼓泡层中容易产生不稳定的大气泡,气泡的聚并倾向会使有效传质面积下降,气液传质效果下降.邹华生等[52]在研究添加剂对鼓泡塔中传质性能的影响时指出,在小浓度范围内,正辛醇的加入能够阻碍气泡的聚并并诱发Marangoni对流,从而增加气液传质面积,强化了传质过程; 但当正辛醇的浓度增加到一定程度时,随着它的加入,传质面积和传质过程都会受到相反的影响.Wu等[53]讨论了Marangoni对流对三乙二醇和溴化锂溶液吸收水蒸汽的影响,研究指出填料润湿面积受到界面扰动的影响,其中,填料润湿面积随着三乙二醇溶液浓度和湿度的增加而扩展,表现为Marangoni正效应; 而随着溴化锂溶液的浓度和湿度的增加,填料润湿面积收缩,此时传质系数随着溶液浓度的增加而线性减小,表现为Marangoni负效应.所以,Marangoni对流对气液有效传质面积的影响,会最终表现在传质效率的改变上,对传质起到促进或者阻碍作用.
由于很难精确测定气液传质过程中的近界面性质,对于气液传质体系中Marangoni对流的研究不够深入,现有的少量关于气液传质体系的研究为今后的研究提供了可借鉴的方法和方向.
