气液交叉流PM2.5捕集系统结构及降膜流动实验研究

陈　毅　郑志坚　朱家骅　兰　赟

四川大学　成都　610065



气液交叉流PM2.5捕集系统结构及降膜流动实验研究

陈毅*郑志坚朱家骅兰赟

四川大学成都610065

利用工业废气废水自身的低位余能及热力学势差，构建内源性推动力“场”与吸收“面”共生的以废治废分离机制，发展一种废气横掠废水液柱流的气液交叉流阵列，为提高纤维绳壁面降膜的均匀性和稳定性，提出一种新型的布膜装置。在实验的基础上探讨了液体在纤维绳外壁降膜的流动特性，分析影响液体管外成膜均匀性和稳定性的影响因素，提出液体成膜的最佳环隙间距应控制在0.8 mm，液体流量应控制在35.2～195.7mL/min。

PM2.5气液交叉流降膜阵列环隙间距液体流量

我国正值工业化快速发展阶段，近十年影响大气环境质量的主要因素是各种工业尾气排放，其中PM2.5的危害最大[1-2]。PM2.5具有粒径小、比表面积大、运动机理复杂及常规除尘设备难脱除等特点[3]。针对PM2.5治理的困难性，本课题组利用工业废气废水自身的低位余能及热力学势差(温差、浓差和相态变化),构建内源性推动力“场”与吸收“面”共生的以废治废分离机制，是有前景的技术方向。为此发展了一种废气横掠废水液柱流的气液交叉流阵列，见图1。连续垂直降膜流动构成自清洁表面，作为可清洁的PM2.5吸收面[4～5]。交叉流设备高位液槽底部为规整、错排分布的布孔器，开孔中间布满垂直的化纤绳，构成规整的环隙通道，高位液槽中水借助自身重力沿孔隙向下流动，并在化纤绳表面形成连续均匀的液膜。

图1　气液交叉流PM2.5捕集系统结构

因此，纤维绳壁面处连续均匀的垂直降膜流动作为气液交叉流阵列捕集PM2.5的吸收面至关重要，是气液交叉流阵列捕集PM2.5的基础前提。本文欲通过研究纤维绳壁面的液体降膜流动及流动发展导致液膜断裂，得出壁面处能够形成连续、均匀、稳定的液膜条件，给出气液交叉流PM2.5捕集系统布孔器内分配环的最佳尺寸及合适的液体流量，为气液交叉流PM2.5捕集系统提供基础数据。

1　实验装置及流程

实验流程见图2。实验装置主要包括两个部分：布膜器和测量装置。布膜器由带有布孔板的高位液槽和纤维支撑绳组成。实验开启前，首先通过流量计调节高位液槽至一定液位高度，在重力的作用下水沿着开孔与纤维绳环隙构成的分配环内垂直向下流，液体流出分配环后, 环内壁对它的阻滞作用消失，液体沿纤维绳壁下流，形成垂直下降液膜。测量装置主要包括：高速摄像仪、液体流量计、液位计及刻度计。实验中待高位液槽中液位高度稳定后，记录液体体积流量，打开高速摄像仪拍摄纤维绳表面液体布膜情况，实验中利用示踪剂法获得测量降膜流动的平均速度，示踪剂为红墨水。实验中高位液槽布孔板采用厚度为4mm的有机玻璃，纤维绳表面未经特殊处理，具有可润湿性。实验采用了4种不同孔径的布孔器和纤维绳构成液体分配环，见表1。研究液体在纤维绳壁面成膜的均匀性和稳定性。实验过程中，布孔器、纤维绳和液位高度保持不变。

图2　实验流程图

表1　分配环尺寸与环隙间距对应关系

2　实验现象分析

2.1液位高度与液体流量

当纤维绳外径及高位槽液位高度确定以后，分配环液体流量主要取决于环隙的间距[6]。环隙间距微小的变化就会使分配环液体流量发生显著的变化。当纤维绳外径及环隙的间距确定以后，增加液位槽高度，液体流量也相应增加。不同高位槽液位高度时分配环内的液体流量关系见图3。

图3　不同分配环下液位高度与流量关系

2.2垂直下降液膜厚度

对于1#分配环，由于1#分配环环隙间距过小，导致环隙内液体流量不足而出现干壁现象，即表面不能完全被润湿而形成滴状流；对于4#分配环，由于环隙间距过大，导致环隙内液体流量过大，从而液体不能沿着壁面流动而直接成股下流，很容易出现偏流现象。

分配环不同液位高度和纤维绳壁面液膜厚度的变化关系曲线见图4。由图可知，对于相同的分配环，增加液位高度，壁面处剪液膜厚也相应增加，是因为随着液位高度增加分配环内液体流量增加；当液位高度一定时，改变分配环型号，壁面处液膜厚度也发生改变，分配环间隙越大，则液体流量越大，从而液膜厚度增加。随着液膜垂直下降，液膜在自身重力作用下克服壁面处切应力加速直至达到平衡，液膜厚度不断减小。图4(a)、(b)分别给出了2#、3#分配环(环隙间距0.8mm、1.3mm)不同液位高度下壁面处液膜厚度图，当环隙内液体流量为35.2～195.7mL/min，壁面处能够形成均匀且稳定的液膜；液体流量低于35.2mL/min时，形成滴状流；液体流量大于195.7mL/min时，壁面处液体出现偏流现象。

因此，对于气液交叉流PM2.5捕集系统，分配环间隙宜在0.8～1.3mm之间，分配环内液体流量控制在35.2～195.7mL/min之间，纤维绳壁面处能够形成均匀稳定的液膜，不会出现滴状流或偏流现象。

2.3垂直下降液膜速度

随着液体沿壁面不断垂直下流，液体在重力作用下克服壁面剪切力不断加速，液体流速不断增加，与此同时壁面处因速度梯度引起的剪切力也不断增大，当该剪切力大于壁面能够提供的最大摩擦力时，壁面处的液膜相对于壁面发生滑移断裂，脱离壁面，此时均匀稳定的液膜被破坏，同时不断有水滴从水膜位置飞溅，液膜发生断裂、液滴飞溅等现象[7]。对于均匀成膜操作区间，分别给出2#、3#分配环不同液体流量下纤维绳壁面垂直下降液膜的速度变化见图5(a)、(b)。随着液膜沿壁面下降，壁面处液膜速度均匀稳定的增加直至达到平衡。2#分配环纤维绳壁面能形成连续、均匀、稳定的液膜，而3#分配环纤维绳壁面液膜会发生滑移断裂，是因为当液膜速度增加至1.1m/s左右时，壁面处因速度梯度引起的剪切力超过壁面能够提供的最大摩擦力，导致液膜相对于壁面发生滑移断裂。因此对于气液交叉流PM2.5捕集系统纤维绳壁面处能够形成连续、均匀、稳定的液膜条件是：分配环的最佳尺寸为0.8mm，最佳的液体流量为35.2～195.7mL/min。

图4不同分配环下液膜厚度沿纤维绳的变化曲线

图5　不同分配环下降膜速度沿纤维绳的变化曲线

3　结语

利用工业废气废水自身的低位余能及热力学势差构建内源性推动力“场”与吸收“面”共生的以废治废分离机制，发展了一种废气横掠废水液柱流的气液交叉流阵列，为了提高纤维绳壁面降膜的均匀性和稳定性，提出了一种新型的布膜装置，主要利用环隙间距保证布膜的均匀性，研究了环隙大小、液体流量对管外降膜的影响。

(1)该纤维绳外壁降膜装置结构简单，性能可靠，加工方便，液体成膜均匀。

(2)为了避免纤维绳外壁液膜一开始就出现滴状或是成股流动，形成均匀稳定的液膜且不发生断裂，应控制分配环液体流量在35.2-195.7mL/min。

(3)环隙间距对液体在纤维绳外壁成膜的均匀性有较大的影响，液体成膜的最佳环隙间距应控制为0.8mm。

1王伟，汤大纲，刘红杰等. 中国PM2.5污染状况和污染特征研究[J]. 环境科学研究，2000，13(1)：1-5.

2殷永文，程金平，段玉森等. 某市霾污染因子PM2.5引起居民健康危害的经济学评价[J] .环境与健康杂志，2011，28(3)：250-253.

3Tucher W G. An overview of PM2.5 sources and control strategies [J].FuelProcessingTechnology，2000，65-66:379-392.

4贺西林，夏素兰，朱家骅等. 气液交叉流净化工业尾气的实验研究 [J]. 化工设计，2009，19(2)：14-16.

5陈治良，魏文韫，朱家骅等. 横掠液柱流的微粒运动机理及PM2.5捕获[J]. 化工学报， 2012，63(7)：2001-2009.

6骆超，马伟斌，龚宇烈等. 液体管外降膜的实验[J] . 化工进展，2010，29(05):821-824.

7张群，童一俊，任海刚等.竖直降膜流动特性与稳定性的数值研究[J]. 西北工业大学学报，2013，31(5)：733-736.

*陈毅：四川大学化工学院化学工程硕士。在读，传质与分离研究。联系电话：15196642894，E-mail:4192244762@qq.com。

**基金项目：国家自然科学基金项目(21276161)。科技部国际科技合作专项(2014DFG92250)。

2016-03-07)