甲苯在气液界面表面微层中迁移变化的数值模拟研究

赵彦琳 金陶胜

摘要 [目的]研究甲苯在气液界面表面微层中的迁移变化规律。[方法]使用计算流体力学（CFD）软件对表面微层中甲苯气体的迁移变化进行数值模拟，通过对液相流速、气相流速、气相浓度的模拟比较，讨论不同条件下的甲苯气体迁移变化规律。[结果]液相流速的增大，影响表面微层的形成，从而减小了气体的迁移通量；气相流速的增大，提高了气体的迁移通量，同时缩短了达到传质平衡的时间；在吸收开始的最初阶段，气相浓度越高，表面微层中气体的吸收也越快，随着时间的变化，对气体的吸收效率逐渐下降。[结论]研究所获得的成果将有助于认识有机污染物在有机气-液界面的迁移机理。

关键词 甲苯；气液界面；表面微层；迁移变化；数值模拟

中图分类号 S181.3 文献标识码 A 文章编号 0517-6611（2014）20-06646-04

Study on the Numerical Simulation of the Migration Variation of Toluene in the Surface Microlayer of the Gasliquid Interface

ZHAO Yanlin et al

（Yangling Vocational & Technical College，Yangling， Shaanxi 712100）

Abstract [Objective] The research aimed to study the migration variation of toluene in the surface microlayer of the gasliquid interface. [Method] A kind of CFD （Computational Fluid Dynamics） software was used to simulate the migration variation of toluene in the surface microlayer. Trough the simulation and comparison of the liquid flow rate， gas flow rate and concentration of gas phase，the migration variation of toluene under different conditions were discussed.[Result] Higher flow rate of liquid phase would slow down the formation of the surface microlayer and the transfer flux would decrease obviously. Higher flow rate of gas phase could shorten the time of reaching transfer balance， at the same time， the transfer flux would increase. At the beginning of the absorption， higher concentration of gas phase can accelerate the absorption of toluene in the surface microlayer. With the time changing， the concentration of toluene reached steady state. [Conclusion] The study is helpful to understand the migration mechanism of the organic pollutant in the surface microlayer of the gasliquid interface.

Key words Toluene；Gasliquid interface；Surface microlayer；Transfer variation；Numerical simulation

大部分的有機废气毒性大，可经人体呼吸道、皮肤和消化道吸收，长期暴露在有机空气中会给人体造成巨大的伤害[1]。因此，对有机废气的控制处理研究有至关重要的意义。目前国内常见的处理方法为吸收法[2]，即利用液体吸收剂对有机废气的选择性吸收或反应，进而达到去除废气的最终目的。经研究发现这种吸收作用主要发生在气液界面处的表面微层中，而长久以来，国内外学者针对气液界面表面微层的研究多为水体界面[3-5]，对于有机液面的研究鲜有报道。另外，由于表面微层的厚度通常只有几十微米到几百微米之间[6]，常规的实验室很难达到相应的实验操作条件，因此，笔者拟针对典型的甲苯吸收液进行表面微层的性质研究，用数值模拟的方法分析在该表面微层内甲苯的浓度变化以及影响该浓度变化的因素，以便有助于认识有机污染物在有机气-液界面的迁移机理。

1 模型的建立

1.1 模型基本假设

基于吸收液对吸收质的物理吸收过程，对模型作如下假设：①气体吸收操作过程为稳态，且液体不可压缩，即液体密度不随温度和浓度的变化而变化；②仅仅气相中的吸收质组分被吸收液吸收，吸收液中的成分不向气相中传递；③忽略气相与液相间热量传递；④气体吸收过程是绝热的，即吸收容器与环境之间没有热量交换。

1.2 吸收传质模型的选择

为了更贴近现实操作，该研究利用多相流模型和物质传输模型以及软件提供的用户自定义接口UDF，对甲苯气体在表面微层中的迁移变化进行模拟，以达到试验研究的目的。

1.3 几何模型的构建

为了通过数值模拟考察气液两相吸收的传质过程，将吸收容器简化为如图1所示的二维结构，模型尺寸为长20 cm、宽10 cm。其中上层为气相主体，下层为液相主体，每相宽分别为5 cm，两相的交界处即为气液交界面，其中左侧分别为气体、液体速度入口，右侧分别为气体、液体压力出口。构建好模型后需要对模型进行网格划分，网格长度为0.2 cm，共划分5 000个网格（图2）。同时，由于要对表面微层作着重研究，因此在气液交界面处增加边界层网格，起到网格加密的作用，使气液界面处的模拟研究更加准确精密。其中第一层边界层距气液交界面距离为10 μm，增长系数Growth factor设为1.1，共画出25层边界层，整个边界层厚度约为1 mm（图3）。

1.4 边界条件及其他参数设定

气体和液体入口均设为

速度入口（velocityinlet）；气体和液体出口均设为压力出口

（pressureoutlet）；氣液交界面属性设为wall；湍流模型选用k-ε模型，非稳态unsteady过程；设置录像功能，记录不同时间内甲苯的传质变化；气相主体材料为甲苯和空气的混合物，其中甲苯的质量分数为10%；液相主体材料为甲苯和吸收溶剂的混合物，假设初始状态时，甲苯的质量分数为0。

2 结果与分析

设置气相进口速度为0.1 m/s，液相进口速度为0.01 m/s，气液分配系数为2，在模型模拟过程中设定观看录像功能Animate。模拟结果发现，到12 s时传质过程达到平衡状态，且在传质过程中，液相中（深度为0～5 cm）甲苯的浓度呈分层分布（图4）。其中，达到甲苯传质平衡时（12 s时），距离模型左侧进口约15～18 cm处表面微层中（小于500 μm）

的浓度分布变化如图5所示。从图5可以看出，表面微层中也存在明显的分层现象，且越接近界面处，甲苯质量分数浓度越大，即在表面微层中，甲苯具有明显的富集现象，因此也可以将甲苯质量分数浓度差看成其积累迁移的主要动力。影响表面微层中甲苯迁移的因素可能包括气相、液相近界面处的湍动程度以及气液质量分配系数等，对于湍动程度的模拟可以通过改变液相流速和气相流速实现。取表面微层中一固定纵剖面为研究对象，假设以模型左下角点为原点（0，0），则取（0.18 m，h）纵剖面研究对象，其中深度h分别取值10、50、100、150、200、250、300、350、400、450、500 μm。

图5 表面微层中甲苯的质量分数等值线

2.1 液相流速的影响

分别设定液相流速为0.005、0.010、0.020、0.030 m/s（气相流速不变，仍为0.1 m/s，气液分配系数为2），得到不同深度甲苯的质量分数变化（图6）。从图6可以看出，随着流速的增大，甲苯的质量分数逐渐减小，这是因为流速较大时，液相近表面处湍动程度较大，影响了液膜即表面微层的形成，从而导致迁移通量的减小；相反，液相流速较低时，甲苯在表面微层中的迁移通量较大，可以理解为甲苯此时在表面微层中得到了充分的吸收，有利于甲苯的去除。另外，甲苯质量分数在表面微层中随深度呈明显的线性关系，且拟合结果非常好，对于液相速度为0.005、0.010、0.020、0.030 m/s时甲苯随深度的变化率分别为-9.239 46×10-10、-9.665 52×10-10、-1.241 27×10-9、-1.426 13×10-9，可见流速为0.030 m/s时甲苯质量分数随深度的变化较大，即可认为其在液相中的扩散速率较大，同理，流速为0.020、0.010 m/s时，扩散速率逐渐减小，流速为0.005 m/s时扩散速率最小。这是因为流速较大时，液相的湍动程度较大，进而可以理解为物质扩散的推动力较大，从而加快了甲苯向下的的扩散速率。此外，液相流速的增加可以看成是液相吸收液流量的增大，即单位体积的液相吸收剂单位时间内吸收的甲苯的量减小了，增大了液相中的浓度梯度，使传质过程向着更有利于扩散的方向发展。

图6 不同深度甲苯的质量分数变化

综上考虑，液相流速增大时，液相中甲苯的扩散速率较大，但同时影响了液膜即表面微层的形成，从而减小了甲苯的迁移通量，因此，要综合考虑这两方面的影响因素，选择较为合适的液相流速，进而达到最好的吸收传质效果。

2.2 气相流速的影响

分别设置气相流速为0.05、0.10、0.20、0.30 m/s，设定液相进口流速为0.01 m/s，气液分配系数为2，进行模拟运算，结果发现，当流速为0.05 m/s时，达到迭代收敛需要21 s；流速为0.10 m/s时，达到迭代收敛需要12 s；流速为0.20 m/s时，需要9 s；流速为0.30 m/s时，仅需要6 s即可达到迭代收敛。可见，随着气相流速的增大，迭代收敛加快，即从模拟运算角度来看，气相流速越大，达到气液平衡越快，即气相流速的增大，缩短了甲苯分子传递至界面的时间，进而加快了整个吸收过程达到传质平衡。这是因为流动的气相通过对气液界面直接的剪切作用以及因此产生的表面波的破碎等，造成较明显的湍流现象，进而增强了气相传输速度。从双膜理论方面考虑，气相流速的增大可以使气相薄膜厚度变薄，使其气相阻力减小，因而甲苯分子可以较快的传递至气液交界面。从不同流速下的甲苯质量分数值（图7）可以看出，流速较大时，表面微层中甲苯的含量值较高，随着气相流速的减小，甲苯的质量分数也明显降低。

图7 不同气相流速甲苯的质量分数变化趋势

综上考虑，气相流速的增大增加了甲苯的迁移通量，同时缩短了达到气液平衡的时间，因此，在条件允许的情况下，可以适当加大气相流速，来提高气液吸收效果。

2.3 气相浓度对甲苯迁移的影响

关于进口气相浓度对甲苯在气液界面迁移的影响，笔者考虑甲苯进口质量浓度分别为1 000、4 000、8 000 mg/m3，同时假设气相进口流速为0.10 m/s，液相进口流速为0.01 m/s，气液分配系数为2保持不变，取液相深度为100 μm处的界面为研究对象，模拟结果显示，在初始阶段，不同进口气相浓度下，甲苯的吸收效率增长均很快，其中8 000 mg/m3的情况最为明显，即气相浓度越高，甲苯的吸收效率越高（图8）。

随着时间的推移，甲苯的吸收效率逐渐下降，这与液相吸收剂对甲苯的吸收容量有关，另外，气相浓度的增加同时又会造成气相阻力层变厚，传质阻力增大，因此传质会向着不利于吸收的方向发展。

乔运娟也对甲苯进气浓度对吸收效果的影响进行了研究[7]，

图8 1～4 s时不同气相浓度下甲苯质量分数浓度

图9 不同进气浓度对吸收效率的影响

从图9可以看出，吸收开始30 min之前，进气浓度越高，吸收效率越高，这与该研究所模拟的结果较为相似；而30 min之后，甲苯的吸收效率出现明显降低，但浓度为1 000 mg/m3的情况下，吸收效率的改变比较平缓，吸收效果比较稳定。但在该研究模拟结果中，随着时间的变化，不同浓度值下吸收效率的变化趋势是相似的。出现这种差异的原因主要是乔运娟在试验过程中，添加了乳化剂，达到一定吸收程度后，气相浓度越大，对甲苯的吸收抑制作用也就越大，因此会出现吸收效率下降情况的不同，而该研究的模拟仅考虑了较为理想的物理吸收过程，并没有考虑其他影响因素，如化学反应、周围环境条件等，这为之后的进一步研究和工作提供了思路。

3 結论

通过流体力学计算软件，构建适合该试验的物理模型，研究了表面微层中甲苯的迁移规律，分析了液相流速、气相流速对其的影响，主要研究结果如下。

（1）液相流速对表面微层中甲苯迁移变化的影响主要表现为当流速增大时，液相中甲苯的扩散速率随之增大，但同时影响了液膜即表面微层的形成，从而减小了甲苯的迁移通量，因此，要综合考虑这两方面的影响因素，选择较为合适的液相流速，进而达到最好的吸收传质效果。

（2）气相流速的增大加快了甲苯分子到达气液界面，缩短了达到气液平衡的时间，同时增加了甲苯的迁移通量，因此，在条件允许的情况下，可以适当加大气相流速，来提高气液吸收效果。

（3）在吸收开始的最初阶段，气相浓度越高，表面微层中甲苯的吸收效率增长速度也越快，随着时间的变化，甲苯的吸收效率出现下降。

参考文献

[1]

吴庆辉.溶剂吸收法在鞋业“三苯”废气治理中的应用[J].福建环境，1999，16（4）：13-15.

[2] 刘英.苯系物的新型吸收剂制备及性能研究[D].青岛：山东科技大学，2010.

[3] 戴树桂，黄国兰，雷红霞.水体表面微层的环境化学研究[J].环境化学，1994，13（4），287-295.

[4] HARDY J T，APTS C W，CRECELIUS EA et al.Sea-surface microlayer metals enrichments in an urban and rural bay[J].Estuariune，Coastal and Shef Science，1985，20：299-312.

[5] HARDY J T，APTS C W，CRECELIUS EA et al.The sea-surface microlayer： fate and residence times of atmospheric metals[J].Limnd Oceanogy，1985，30（1）：93-101.

[6] LISS PS，DUCE RA.The Sea Surface and Global Change[M].Cambridge：Cambridge University Press，1997.

[7] 乔运娟.液膜法吸收有机废气试验研究[D].杭州： 浙江大学，2008.