折流板脉冲萃取柱中的动态界面张力及其对液滴破碎的影响

Mass transfer in liquid-liquid two-phase flow is an important research issue in the field of chemical engineering. Under the background of the pulsed disc-and-doughnut extraction column, the quantitative measurement of dynamic interfacial tension in two-phase mass transfer process will be studied. The influence of the dynamic interfacial tension on the droplet deformation and breakup will also be experimentally and theoretically researched. The quantitative characterization method of the dynamic interfacial tension in the mass transfer process will be developed based on our previous work on the measurement of droplet breakup frequency function. Online microscope and high-speed camera will be used as the main observation tool. The factors influencing the dynamic interfacial tension will be investigated in detail and a dimensionless correlation will be established. The theory of differentiable manifold will be used to analyze the law and mechanism of the droplet breakup process influenced by the dynamic interfacial tension. Finally, the research results will be applied into the population balance model to perform a computational fluid dynamic simulation and study the hydraulic performance in mass transfer process of the extraction column. The research result will be an important supplement for basic theory of liquid-liquid two-phase flow and mass transfer. It will also be significant to guide the design and operation of equipments involving liquid-liquid two-phase flow and mass transfer.

液－液两相流传质是化工学科的重要研究对象之一，本课题以折流板脉冲萃取柱为背景，开展两相流传质过程中动态界面张力定量表征及其对液滴形变－破碎行为影响的实验和理论研究。将以我们前期研究中液滴破碎频率函数测定工作为突破点，采用在线高速显微等现代化观测手段，发展传质过程中的动态界面张力的定量表征方法；系统考查动态界面张力的影响因素和变化规律，建立定量描述的无因次关联式；结合微分流形等现代数学理论研究动态界面张力对液滴破碎行为影响的规律与机理；最后将研究结果应用到群体平衡模型，进行萃取柱的计算流体力学模拟，研究萃取柱传质过程中的水力学性能。研究结果是对液－液两相流流动与传质基本理论的重要补充，对涉及液－液两相流传质的宏观化工设备的设计和运行有重要指导意义。

本项目围绕液-液两相流在湍流传质过程中的动态界面张力的测定这一国际难题开展实验和理论研究，主要研究内容和结果如下：在课题组前期研究基础上，提出了脉冲柱中传质条件下动态界面张力的定义，并基于在线高速显微技术，在国际上首次报道了湍流流场中动态界面张力的定量测定方法；在有机相连续和水相连续两种情况下系统研究了溶质浓度、传质通量等因素对动态界面张力的影响，给出了界面张力的动态变化随传质通量变化的曲线，二者呈正相关关系；进一步考查了传质方向对液滴动态界面行为的影响，发现滴外向滴内传质时液滴稳定性更低，表现在其多元破碎在所有破碎事件中占比大大提高，相对来说，滴内向滴外传质时二元破碎占主导地位，与无传质情况类似；探索了单液滴传质过程中动态界面张力和微小传质通量同时测定的方法，发现对于单液滴来说，其界面张力的动态变化也随传质通量增大而增大，与液滴群实验的结论一致；针对单液滴动态界面张力对破碎过程的影响，进行了定性机理分析，表明界面张力在形变的液滴表面的动态分布，对其破碎行为有重要影响，直接决定了其破碎的难易程度和生成子液滴的数目；在以上研究基础上，通过将测定的动态界面张力嵌入群体平衡模型，建立了传质条件下的CFD-PBM数值模拟框架，通过对欧拉-欧拉模型的深入分析和控制方程的修正，实现了折流板脉冲柱传质条件下的液-液两相流模拟，模拟得到的溶质在两相中的浓度剖面与实验测量结果符合较好，证明了所建立的模拟框架和修正模型的适用性；将人工神经网络方法引入液滴破碎频率的表达中，建立了其与CFD-PBM耦合的模拟方法，为下一步工作中更复杂更多元化传质体系的数值模拟奠定了基础。综上所述，本项目在湍流流场中动态界面张力的测量方法和伴随传质的液-液两相流数值模拟方法方面取得了一定的研究进展，丰富了相关领域的实验方法、实验数据和基本理论，所建立的方法和得到的结论对核燃料后处理领域相关设备的设计和运行有重要指导意义。