气液传质和反应可视化的激光诱导荧光技术

1、气液传质和反应可视化的激光诱导荧光技术第62卷第9期2O11年9月化工CIESCJourna1Vo1.62No.9September2011气液传质和反应可视化的激光诱导荧光技术邵婷,胡银玉,王文坦,金涌,程易(清华大学化学工程系,北京100084)摘要:提出了一种先进的可视化测量气液传质和反应的激光诱导荧光技术,其基本原理为利用气相中的臭氧氧化液相中的荧光物质,使用相机定量地捕捉液相中荧光物质(如罗丹明B)发出的荧光信号强度的动态变化,从而记录了气液的传质和反应过程.实验结果通过液相浓度场信息展示了液滴内部丰富的微观混合行为,尤其传递和反应行为敏感于液滴周围环境条件,如微小扰动的均匀流场,扰

2、动强化的非均匀流场和液滴尺寸动态生长过程.直观的可视化测量方法提高了对气液传质和液滴内微观混合行为机理的理解.关键词:气液传质;液滴;反应流激光诱导荧光;可视化;微观混合DOI:10.3969/J.issn.04381157.2011.09.006中图分类号:TQ016.1文献标志码:A文章编号:04381157(2011)09242205Visualizationofgas.liquidmasstransferandreactionusinglaserinducedfluorescencetechniqueSHAOTing,HUYinyu,WANGWentan,JINYong,CHENGYi

3、(DepartmentofChemicalEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,Chin口)Abstract:Anovelapproach,laserinducedfluorescence(LIF)technique,isproposedtovisualizegas-liquidmasstransferandreactioninthiswork.Theprincipleistoquantitativelycapturethechangeoffluorescencesignalintensityinliquidphaseemittedbyafl

4、uorescencedye(e.g.,RhodamineB),wheretheconcentrationofthedyevarieswithtimeandspaceduetoacoupledreactionbyozoneingasphase.Thereactionprocessinsidetheliquidphase(dropletinthiswork)canberecorded,integratingtheProcessofgasliquidmasstransferandliquidphasereaction.Theexperimentillustratedvariousmieromixin

5、gbehaviorcharacterizedbytheconcentrationfieldinsidethedropletunderdifferentenvironmentalconditions,suchasuniformgasflowwithlittledisturbanceandnonuniformgasflowwithcertaindisturbanceonthedroplet.andthegrowingprocessofdroplet.Thestraightforwardvisualizationmeasurementsimprovedtheunderstandingonthemec

6、hanismsofgasliquidmasstransferandmicromixinginsideadroplet.Keywords:gasliquidmasstransfer;droplet;reactiveIIF;visualization;micromixingL口气液传质和反应是化工生产中广泛存在的过20101119收到初稿,20110309收到修改稿.联系人:程易.第一作者:邵婷(1987),女,博士研究生.基金项目:国家重点基础研究发展计划项目(2O07cB7143o2);国家自然科学基金项目(20776074).程,气液传质效率是决定气液反应过程的核心,尤其对敏感于微观混合的产

7、品过程至关重要,需要考虑时空尺度的具体要求.一般广泛使用的气液接触Receiveddate:20101119.C0rrespondingauthor:Prof.CHENGYi,Foundationitem:supportedbytheNationalBasicResearchProgramofChina(2007CB714302)andtheNationalNaturalScienceFoundationofChina(20776074).第9期邵婷等:气液传质和反应可视化的激光诱导荧光技术?2423?模式为离散相的气泡与连续相的液体接触,如鼓泡柱和

8、搅拌釜.另一种接触模式是将液体雾化成微/小液滴,以离散方式分布在连续相气体里.很多学者对基于液滴的传质过程进行了研究,其中包括对单个液滴的研究口,但是这些研究大多是基于喷雾干燥和燃烧过程的液滴干燥或汽化,而对于气相与微小液滴问的传质与反应,由于测量技术的限制和关注的空间尺度不同,对其微观特性的实验研究还鲜见报道.激光诱导荧光技术(LIF)是一种无干扰流场测试技术,可用于流体的浓度场或温度场的可视化测量.Adil等_5曾提出将LIF技术用于液相中单个气泡周围氧气传质过程的测量.本研究小组利用LIF技术,分别研究了通道和搅拌釜中的液液物理混合行为,随后又提出了一种新型的反应流激光诱导荧光技术(re

9、activeLIF)用于通道和搅拌釜中的液液反应混合行为的研究l】.在以上已有的LIF研究基础之上,本文进一步提出了一种全新的实时可视化测试技术,对基于微小液滴的气液传质和反应过程进行了可视化研究,揭示了微液滴内部丰富的微观混合行为,并定性或半定量地指出其参数依赖性.1实验装置和方法1.1实验装置如图1所示,钢瓶中的氧气经过臭氧发生器进入有机玻璃罩中与液滴状的罗丹明B溶液发生反应.罗丹明B的水溶液由微量进样器打出并呈液滴状静止悬挂于针头上.由激光器发出的波长为532nm的单色光从正面照射到液滴上,CCD相机从侧面捕捉液滴发出的荧光并将信号传递到计算机上.实验中使用的有机玻璃罩的主体尺寸为5Om

10、m50mm15Omm(长高宽).通过改变COcomputergaspipe图1实验装置示意图Fig.1Schematicdrawingofexperimentalsetup有机玻璃罩底部的结构可对液滴周围气体的均匀或非均匀流动进行调节,即对液滴内部流场产生不同程度的扰动.1.2测量原理LIF技术实现浓度场可视化测量的基本原理为:荧光物质在激光的激发下吸收特征频率的光子,产生能级跃迁并发出一定波长的荧光,低浓度时荧光强度与荧光物质的浓度呈线性关系,因此可以通过检测荧光强度达到测量浓度的目的.本文使用的荧光物质是罗丹明B(RhodamineB),其激发波长是532nm,发出的荧光波长是553nm.

11、罗丹明B可以被臭氧氧化脱色,一定浓度的臭氧溶解于液滴并与罗丹明B发生反应使其浓度逐渐降低,在一定强度的激光照射下,液滴发出的荧光强度随着其内部罗丹明B浓度场的变化而连续变化,并被CCD相机实时捕捉,最终由图像的灰度值反映出来.因此,通过对图像灰度值的处理,就能实现液滴内传质和反应过程的实时可视化.目前普遍接受的臭氧与水中有机物的反应历程是由Hoigne等口提出的直接氧化和自由基型反应.当溶液的pH大于56时,臭氧化反应便由直接分子型主导转化为自由基型主导.本实验中所使用的罗丹明B溶液呈中性,可认为臭氧化反应是自由基型反应.臭氧自分解产生活性自由基OH?口,它能迅速与水中的有机物发生反应,其反应

12、的速率常数可达到1O1O.L?tool?S量级ll.因此可认为臭氧与罗丹明B的反应速率取决于臭氧的自分解速率.臭氧自分解反应可近似地按一级反应处理,其速率常数愚与温度T和OH一的经验关联式如下_1朝_l_635106exp()OH(1)本实验在常温下进行,按照式(1)可计算出k一210.S.臭氧在水中是微溶的,因而其传质阻力主要在液相.气体在液相中的扩散系数一般在lO叫m.?s量级,液滴尺寸是毫米级,在传质方式是纯扩散的情况下,可以估算出其传质系数k约为10m?s,毫米级液滴的比表面积a约为10.m.?m.因此在传质方式是纯扩散的情况下,传质速率kga与反应速率k在数量级上是相当的.实验中所使

13、用的激光器是北京立方天地科技有限责任公司提供的1.5w二极管固体连续激光器,第62卷发出的激光通过滤光片后得到厚度为0.5mm的片光源.采用的高速相机(IMPERX,IPXVGA21OI)空间分辨率为7.4m?pix,最大拍摄速度为210fps,灰度精度为12bit.1.3实验标定实验采用原位标定法对罗丹明B的浓度与荧光强度之间的关系进行标定.首先配制浓度分别为0,0.05,0.1,0.2,0.5,0.6,0.8,1.0mg?L的罗丹明B标准溶液,将激光器,高速相机和微量进样器调整到合适的位置,在后续的实验中,这些仪器的位置以及相机的焦距和曝光度都固定不变.按浓度由低到高的顺序先后测量体积为3

14、l的不同浓度罗丹明B溶液的荧光强度.由于液滴的直径很小,可忽略液滴不同位置上的激光衰减,即假定液滴各处的激光强度是均匀的.将液滴发出的荧光强度J对浓度C作图得到标定曲线,如图2所示,其线性相关度是0.997.RhodanmineBconcentration,C/mg?L一图2荧光强度同罗丹明B浓度关系的标定曲线Fig.2RelationshipoffluorescenceintensityandRhodamineBconcentration2实验结果与讨论2.1均匀气流下的气液传质和反应特性在均匀气流环境中(即气体流场对液滴内部流场产生微小影响),首先考察臭氧浓度对反应时间的影响.在相同气体流

15、速下,不同浓度的臭氧完全氧化3l初始浓度为1.0mg?I的液滴所需的时间如表1所示.从表1可见,臭氧浓度对液滴完全反应所需时间没有明显影响,起决定作用的是气体流速.在下面的实验中暂不考虑臭氧浓度对反应的影响.表1相同气速不同臭氧浓度下完全反应所需的时间Table1TimeneededforcompleteconsumptionofRhodamineBwithdifferentozonec0ncentlatiOnOxygenflowrate()zoneconcentrationReactIOI1tlme/s/I?min/mg?L.图3所示为气体流速6.710.ITI?S(流量1I?min),臭氧

16、浓度42.7mg?I的均匀气流下,直径1.8Film,初始浓度为1.0mg?I_1的液滴内部罗丹明B浓度场随时问变化的伪彩图,纯红色表示罗丹明B浓度为1.0mg?I,蓝色表示浓度为0.从浓度场的变化可以看出,在小气速的均匀流场下,气流对液滴内部流场几乎不产生影响,臭氧由液滴外层向内部传递,近似于典型的气液传递和扩散过程.IIt.0mg?L黑O0l0l0jx/mm图3气体流量1I?min,臭氧浓度42.7mg?I.时均匀气流下液滴内浓度场随时间变化的伪彩图Fig.3TransientconcentrationdistributionsofRhodamineBinsidedropletundere

17、vengasflow2.2非均匀气流下的气液传质和反应特性图4所示为气体流量1I?min,臭氧浓度42.7mg?I的非均匀气流下,初始浓度为1.0mg?I一的液滴内罗丹明B的浓度场随时间变化的伪彩图.与小气流均匀流场下的情况相比,在非均匀气流的作用下,臭氧与罗丹明B的反应速率明显加快,液滴内罗丹明B的浓度不再是由外向内慢慢减小,而是呈现不规则的湍动变化.为了定量描述这一过程,将液滴近似看成一个OO101口目簖fc第9期邵婷等:气液传质和反应可视化的激光诱导荧光技术?2425?olololx/mm图4气体流量1L?nlin,臭氧浓度42.7mg?L一时非均匀气流下液滴内部浓度场分布随时间变化的伪

18、彩图Fig.4TransientconcentrationdistributionsofRhodamineBinsidedropletunderunevengasflow球,并以其几何中心为球心将其从内向外分成厚度分别为0.2,0.2,0.2,0.15mITl以及最外层的5个球壳形液层,分别记为区域0,1,2,3和4,如图5(a)所示.引入液滴局部区域Z的平均浓度C(Z)的计算公式其中N(z)表示区域z内的像素点数C(z,v)c(z)一一得到均匀气流和非均匀气流下不同液层的罗丹明B平均浓度随时间的变化曲线,如图5(b),(c)所示.比较图5(b),(c)亦可以发现,在均匀流场下,里面液层的罗丹

19、明B的浓度始终比外面液层的高,而在非均匀流场下这种规律被打破.在非均匀流场作用下,由于气流对液滴非对称的相互作用,强化了液滴内部的对流行为,臭氧在液相里的传质由分子扩散变成了对流传质,传质速率大大提高,传质反应过程的控速步相应地由传质变成了反应.在臭氧浓度分别为42.7,30.6,10.0mg?I时,初始浓度相同的液滴被完全氧化所需的时间分别为6.5,8,11S.臭氧浓度越高,反应越快.2.3液滴形成过程中的气液传质与反应先将流量1L?min,臭氧浓度为42.7mg?L的气体通入反应室内,然后用微量进样器迅速挤出体积3l,初始罗丹明B浓度为1.0mg?L的液滴,观察液滴在由小到大形成过程中内部

20、浓度场的变化,如图6所示.从图示结果可以看到,液滴长大过程中其内部存在剧烈的扰动,形成了大的涡流,这使得气液传质速率大大提高,液滴在形成过程中大部分的罗丹O(a)schematicdrawingofregiondivisionofdropletreactiontimetS(b1averageRhodamineBconcentrationindifferentzonesofdrop】etunderevengasflowreactiontime,tiS(c)averageRhodamineBconcentrationindifferentzonesofdropletundertmevergasfl

21、ow图5不同液层的半均浓度随时l司变化的曲线Fig.5AverageconcentrationofRhodamineBindifferentzonesofdropletatdifferenttame(gasflowrate:1L?min一,ozoneconcentration:42.7mg?L)明B已经被氧化,整个反应完成耗时3.6S.同样的过程在流量2L?min,臭氧浓度为39.8mg?L的气流下进行耗时5.9S.这表明在这种模式下,臭氧浓度依然是影响反应速率的关键因素.综合以上实验结果可以发现,在实验考查范围内,在小气流的均匀流场下,臭氧在液滴内的传质主要是分子扩散,此时传质较慢,臭氧化反

22、应的表gm0l?2426?化工第62卷1.0mg?L爨誓.References1E23图6气体流量1Lmin一,臭氧浓度42?7mgL一时4液滴长大过程中不同时刻的浓度场分布Fig.6RhodamineBconcentrationdistributionsatdifferenttimeduringgrowthofdroplet5观反应速率也较慢,臭氧浓度对反应速率的影响不明显;在非均匀气流的作用下,传质逐渐由分子扩散转变为对流传质,传质速率提高,反应动力学成6影响表观反应速率的主要因素;液滴长大过程中自身形成的扰动可以大大提高传质与反应的效率.3结论(1)利用罗丹明B溶液的氧化脱色作用,成功地

23、用LIF技术可视化了气体与微液滴的传质和反应行为,揭示了单个液滴内部丰富的流体流动,传递和反应现象.(2)外界流场对微液滴内部的行为影响很大,可以直接从微观尺度影响反应气体在液滴内部的传质行为,从而影响表观反应效率.(3)液滴自身的扰动对于强化传递与反应过程的效率有明显的作用.微小液滴内部的调控受很多因素的影响,微混合行为不能直接由宏观得到的传递规律简单推理.(4)单个液滴内部微混合行为的可视化揭示,对一些特殊产品过程的控制具有特殊重要的意义,如纳米(药物)颗粒在液滴内的可控制备.符号说明比表面积,m?m一.罗丹明B浓度,mg?L_1激光强度传质系数,m?s臭氧自分解反应的速率常数,拍摄图片的

24、像素数温度,K时间,s7891O1112131415JangiM,KobayashiH.HeatandmasstransferofafueldropletevaporatinginoscillatoryflowJ.InternationalJournalofHeatandFluidFlow,2009,30(4):729-740SuLingyu,LiuWeidong.TheoreticalanalysisofheatandmasstransferofmovingdropletduringevaporationJ.JournalofNationalUniversityofDeferiseTechn

25、ology,2008,30(5):l014MezhericherM,LevyY,BordeI.Heatandmasstransferofsingledroplet/wetparticledryingJ.ChemicalEngineeringScience,2OO8,63(1):12-23DalmazN,OzbelgeHO,EraslanAN,UludagY.Heatandmasstransfermechanismsindryingofasuspensiondroplet:anewcomputationalmodelJ.DryingTechnology,2007,25(1/2/3):39卜400

26、AdilD,PascalG,ArnaudC.LocalmeasurementofoxygentransferaroundasinglebubblebyplanarlaserinducedfluorescenceJ.ChemicalEngineeringScience,2007,62(24):72457252LuoPC,ChengY,WangZW,JinY,YangWH.StudyonthemixingbehaviorofthinliquidsheetimpingingjetsusingthePLIFtechniqueJ.Industrial8LEngineeringChemistryResea

27、rch,2006,45(2):863-870LuoPeicheng(骆培成),ChengYi(程易),WangZhanwen(汪展文),JinYong(金涌),YangWanhong(杨万宏).StudyoffastliquidliquidmicromixingusingPLIFtechniqueJ.Journal0ChemicalIndustryandEngineering(China)(化工),2005,56(12):22882293HuYY,LiuZ,YangJC,JinY,ChengY.MillisecondmixingofliquidsusinganoveljetnozzleJ.ChemicalEngineeringScience,2009,64(5):812-820HuYinyu(胡银玉),LiuZhe(刘拮),YangJichu(杨基础),ChengY