激光光谱在线同步检测尿素水溶液液膜厚度、温度及浓度的方法研究

The phenomenon of liquid film formation is very common in many industrial application processes, e.g., thin films of water/urea solutions in the automotive exhaust gas pipe in selective catalytic reduction (SCR) systems. The measurement for multi-parameter of liquid films is very important to understand the film formation and evaporation processes which are extremely complicated, and it is also very helpful to optimize the related application processes. In this work, a novel method that can simultaneously measure the film thickness, temperature and concentration of water/urea solution by laser spectroscopy will be studied. The key of the work is to study the characteristics of absorption spectrum for urea in the infrared region, a model based on Beer-Lambert law will be established, and a criterion for multiplexed-wavelength optimization will be set up to measure multi-parameter of liquid film for aqueous solutions. The liquid film thickness, temperature and concentration of water/urea solutions can be determined by chosen four optimized wavenumber positions, and the error caused by other non-specific attenuation can be also eliminated. A calibration cell with known film thickness and temperature will be demonstrated, the accuracy of the novel method can be obtained in this cell.The method developed in this work can provide an effective tool to analysis the film formation,-evaporation and -dynamic processes, and it is very helpful to study liquid films of other aqueous solutions.

液膜形成的现象广泛地存在于各种工业过程中，如选择性催化还原 (SCR) 系统中汽车尾气排放管上尿素水溶液液膜的形成。对液膜多个参数进行高精度的测量具有重大的意义和应用价值，因为这样不仅能更好的了解液膜形成和蒸发这个极其复杂的物理过程的本质，也对优化所涉及的各种工业过程具有非常重要的意义。本课题旨在研究激光光谱在线同步测量尿素水溶液液膜厚度、温度及浓度的新方法。本课题的关键在于研究红外区域尿素的吸收光谱特性；建立基于比尔朗伯定律的多参数反演模型；建立液膜多参数定量分析的波长组合优选准则，通过优选分析组合四个波数位置实现对尿素水溶液液膜多参数高精度的同步测量，并消除由其他因素引起的测量误差；研制高精度的液膜厚度和温度可调的标准具，利用该标准具研究新方法的测量精度。本课题提出的新方法将为深入研究液膜形成、蒸发和流动动态过程提供有效的测量手段，也将对研究其他溶质的溶液液膜具有重要的参考价值。

液膜的形成和蒸发现象广泛存在于各种工业应用中。对液膜进行高精度的测量不仅能够更好地了解液膜的形成和蒸发本质，也对优化所涉及的各种工业过程具有重要的意义。许多情况下，溶液液膜的厚度、温度及内部成分浓度之间密切相关，相互耦合。传统的测量方法只能实现液膜单个参数的测量，无法实现同步测量。如电学法和图像法只能对液膜厚度进行测量，折光法和密度法对溶液的浓度进行测量，热电偶和温度计等对液膜的温度进行接触式测量。.本课题以汽车尾气脱硝的选择性催化还原（Selective Catalytic Reduction, SCR）系统中喷射的尿素水溶液撞击汽车尾气管壁上形成的液膜为研究背景，提出了一种基于激光吸收光谱技术同步测量尿素水溶液液膜厚度、浓度和温度的新方法，具有无干扰、响应快、灵敏度高、结构紧凑等优点。通过对不同质量浓度（5～35%）和不同温度（25-50 度）的尿素水溶液的吸收光谱进行分析，建立了溶液液膜三参数同步反演模型，并利用已知尿素水溶液液膜厚度（100-1000μm）、温度（25～40 度）和浓度（5-50wt%）的标准具对本课题所提出新方法的静态测量精度进行了验证。结果表明，该方法液膜厚度的平均测量误差为0.86%，液膜温度的平均测量误差为4.58%，液膜浓度的平均测量误差为3.85%。并对尿素水溶液在竖直石英玻璃板上自由降膜过程中动态液膜进行研究，并结合图像法同时测量液膜的厚度，在液膜流动稳定时两种方法的厚度测量偏差为4.10%。并对水平石英玻璃板上尿素水溶液液膜蒸发过程中液膜厚度、浓度以及液膜上方水蒸气浓度进行了同步测量。此外，本课题研究了动态纯水膜膜厚及其波动状况随循环泵（蠕动泵）频率的变化规律。结果表明，水膜的厚度、水膜厚度的波动幅值和波动频率随循环泵频率的增加均增大。.本课题提出的基于激光吸收光谱技术同步测量尿素水溶液液膜厚度、温度和浓度的新方法将为优化SCR系统混合管路的设计与尿素喷射装置的布置、减少液膜的形成以及提高SCR系统的催化反应效率提供有效的手段，并为研究生物、化工和环境等领域的其他溶液液膜提供重要的依据。