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传递现象是一个复杂的物理化学过程,包括多相流体流动、相际质量传递和相际热量传递。传递过程由于涉及扩散、对流、脉动、流体力学不稳定等多种机理,一直以来都受到化学工程以及相关领域研究者的广泛关注,在化学工业操作中发挥着重要的作用。在化工生产的传质或传热过程中,界面上的表面张力梯度和密度梯度会引发一种界面流体力学不稳定现象,称为Marangoni效应。它能够影响传质或传热的速率,从而为提高传递效率提供一个有效途径,因此Marangoni效应无论在理论研究,还是在工业应用上都具有十分重要的价值。二十世纪五十年代至今,大量研究表明液滴在其生成阶段虽然时间十分短暂,但传质量却可达到整体萃取量的10-50％。因此深入了解液滴在生成阶段的流体动力学和界面传质机理以及Marangoni效应的影响,可以为萃取设备的结构设计和操作参数的优化提供参考。
本文首先采用欧洲化学工程师协会(EFEC)推荐的“MIBK-醋酸-水”体系,实验研究了静止悬垂液滴和液滴生长阶段的传质过程中Marangoni效应对传质速率和萃取百分数的影响。采用不同的醋酸溶液、液滴生长速度、针头的尺寸以及表面活性剂sodium-dodecyl-sulfate的浓度,考察不同实验参数对Marangoni效应的影响,以找到调控其影响传质速率的手段。本文为研究Marangoni效应的机理研究提供了大量定量和定性的实验数据,同时也为进一步的数值模拟研究的验证提供了依据。
在对液滴生长阶段的传质过程以及传质引起的Marangoni效应的数值模拟研究中,本文用水平集方法,在二维轴对称的柱坐标系中建立了液滴不断生长的非稳态运动萃取传质过程的控制方程。没有Marangoni效应的数值模拟结果同实验研究作了对比,两者结果吻合较好,证实了模型方程和数值方法的正确和可靠性。对Marangoni效应的数值模拟结果显示,由于Marangoni效应并不是轴对称的运动,因此二维轴对称坐标系不能将Marangoni的流体动力学特性完整地表达出来,需要扩展到三维坐标系中进行数值模拟。