相当比例的多相反应过程均受传质速率的严重制约,根本原因在于气-液之间、气-液-固之间的相接触界面积太小,因此使反应器中多相流体形成微界面体系的界面强化始终是反应强化的基本原理之一,而将气泡、液滴从“厘米-毫米”尺度缩小至“微米-纳米”则是微界面反应强化的基础和前提条件,需要人们去积极开展新理论建立、新设备发明、新测试与表征技术研发、新调控和设计准则确立等一系列工作。

  通常可将粒径处于微纳米尺度1μm ≤ de < 1 mm的气泡、液滴分别称为微纳气泡、微纳液滴。微纳液滴可以通过液体射流柱或液膜的初次破碎和液滴的二次破碎形成,工程应用中常采用喷嘴或小孔等部件,将液体雾化分散到气体中成为微纳液滴,此时分散在气相中的液滴为分散相,气体称为连续相。将液体雾化成微纳液滴后能够大幅增加表面积,例如将1m3的液体吸收剂雾化成约2×1012个直径为100μm的均匀液滴,总表面积可达约60000m2。微纳液滴在连续气流中具有较好的跟随性,更容易在气体中分散混合形成均匀的气雾两相流,在大幅增加气液吸收传质接触面积的同时,气液相界面处存在微流场结构、滴内运动、界面效应等特性。(1)气雾两相混合体系通常处于湍流状态,而湍流由各种大小不同的漩涡组成,这些漩涡各有其变化的脉动速度。如果在相当于液滴尺寸的长度上存在着较小尺度的漩涡,则将造成系统中各点速度显著不同,亦即液滴表面的不同部位作用着不同的动压头,当其超过与之抗衡的表面张力时,液滴就会破裂。(2)在液滴运动时,在液滴与连续相界面因两相之间摩擦而产生剪切力,滴内液体在此剪切力作用下发生循环流动,称为滴内循环。滴内循环为湍流状态时将造成激烈的滴内混合。小液滴为球形,较大的液滴会变形而偏离球形,变形的基本原因是液滴表面的压力分布不均匀。(3)在高雷诺数条件下还会发生液滴振动,一般认为振动伴随着液滴尾流中旋涡发生而开始,因而振动很可能与尾流的不对称性和不稳定性以及液滴表面产生持续的脉动、压力分布等有关。微纳液滴这些特有的微界面特性会显著强化气液接触传质或反应过程。

  基于微纳液滴在气相中的高分散性以及液滴微界面特性在强化传质和反应过程的优势,微纳液滴在各行各业的应用前景广阔。(1)在医疗领域,将药物分散成微纳液滴的雾化吸入疗法是一种重要方法,雾化消毒药剂可用于医疗环境的消杀。(2)在发动机、燃油锅炉燃烧器中,燃料油燃烧时首先被分散成微米液滴与空气进行混合,用于提高燃油燃烧效率。在工业锅炉方面,喷水减温器可应用于过热蒸汽降温调节。(3)在农林园艺方面,微纳液滴可应用药剂喷洒、空气加湿和灌溉等。(4)在环保行业,微纳液滴可用于雾化除尘、气体吸收净化,例如法国国立化学高等学校的A. Couvert和法国威立雅环境集团的C. Remmer等人通过在管道内填充金属丝网填料,充分利用气流的湍动能将吸收剂雾化成微米级的液滴(粒径约为10μm),实现气液雾化高分散体系的微界面强化气液传质过程,在此基础上开发了Aquilair PlusTM管式气液并流接触器,分别用于污水处理工艺产生的H2S气体去除以及高级氧化过程中挥发性有机化合物(VOCs)处理的传质强化。(5)在石油化工方面,微纳液滴在延迟焦化混合喷雾冷焦、天然气脱水、天然气脱酸等方面开始得到关注和应用。例如,目前出现了瑞士苏尔寿(Sulzer)公司MixDryTM、美国ProSep公司ProDryTM、挪威Minox Technology公司DryGasTM三种高效的天然气甘醇脱水技术。美国ExxonMobil上游研究公司(ExxonMobil Upstream Research Company, EMURC)结合独有的气液雾化混合技术和瑞士Sulzer公司拥有的HiPerTM管式气液旋流分离技术,推出了cMISTTM管式天然气脱水技术。


  本研究团队在微纳液滴过程强化方面,目前主要聚焦于天然气净化处理的脱水、脱碳和选择性脱硫工艺,开展系统深入的应用基础研究和应用研究工作。

  (1)管式气液雾化混合器

  在管内空间内设置文丘里和三角锥结构,产生局部高速气流区域,液体通过垂直于运动气流方向的环形进液通道和迎风锥面的射流孔喷入横向气流中。横向运动气流经过变截面流道加速,促使液体射流柱剧烈破碎成微小液滴,分散于运动气流中。气流经过文丘里和三角锥结构后在其下游产生强湍流区域,雾化的微小液滴在强湍流作用下均匀分散混合。基于上述工作原理,本团队研发的管式气液雾化混合接触吸收器,在设计气体流量内雾化液滴粒径处于135~25μm范围内,且保证雾化压差不大于15kPa。通过建立吸收器内气液两相流的计算流体动力学(CFD)数值模拟方法,并且基于高速摄像机、粒子动态分析仪(PDA)等先进测试手段,搭建了管式气液雾化混合接触吸收器雾化混合和传质性能测试的实验平台。基于这些条件,本团队可根据天然气吸收法脱水、脱酸净化处理等不同应用场合,进行管式气液雾化混合接触吸收器的工艺和结构设计,还可移植应用于气体工艺管线液相化学试剂的注射、工业废气的吸收法净化处理等领域。

 

  

  (2)管式天然气甘醇脱水器

  基于微液滴分散强化传质理论,研发了管式天然气甘醇脱水器。从管式天然气甘醇脱水器结构示意图可以看到,待脱水模拟气从管道左侧进入,液体经管式气液雾化混合元件进液管进入,液体在横向气流剪切作用下雾化破碎并沿着管道分散混合向前流动,气雾两相在传质吸收段接触传质,脱水后的干气和吸水后的甘醇溶液经管式气液分离器分离开来,干气从气体出口流出,富甘醇溶液进入液体收集装置。搭建了室内气液传质脱水性能测试平台,开展管式天然气甘醇脱水器工作性能的实验研究,测试分析三甘醇浓度、液气比、传质段长度以及气体流量等因素对脱水性能的影响。装置可在管道气速8~16m/s范围内稳定高效强化脱水传质过程,气体流量增大在提升气液雾化混合效果的同时使气液接触时间变短,因此整体上随气量增加脱水效果有显著提升。室内测试结果表明,单级管式脱水器露点降可达20℃,目前正开展现场应用的结构设计和性能优化。

  研发的天然气脱水用紧凑高效管式接触吸收设备也可直接移植应用到煤层气、页岩气、天然气水合物(可燃冰)、储气库等的脱水处理。另外,可为节能环保领域的VOCs处理、工业废气处理、二氧化碳捕集工艺改进提供指导和借鉴。

过程强化→微纳液滴-管式天然气甘醇脱水器.png

  (3)微纳液滴有关的实验测试手段

  团队在微纳液滴方面的测试评价方法包括:①基于高速摄影和图像处理软件的图像测量技术,②基于激光衍射的喷雾激光粒度仪,③基于相位多普勒激光粒子动态分析仪等方法。经过多年积累,研究团队拥有高速摄像机、喷雾激光粒度仪、相位多普勒激光粒子动态分析仪(PDA)等多款先进仪器,可用于微纳液滴形成机理、液滴速度分布、粒径分布等雾化混合性能的测试分析。

仪器名称 型号 产地
马尔文喷雾粒度仪 Spraytec 英国
高速摄像机 Motion ProY3 德国
相位多普勒激光粒子动态分析仪(PDA) Dantec Dynamics 丹麦
TDL气体水份分析仪 METTLER TOLEDO 瑞士
冷镜式露点仪 MICHELL 英国
V30卡氏水份测定仪 METTLER TOLEDO 瑞士


  (4)科研项目及工程应用

  自2017年开始,在国家自然科学基金、北京市教委科技计划等项目的支持下,团队自主开展了基于微液滴强化吸收传质的管式天然气甘醇脱水技术、基于液滴微界面强化选择性吸收的管式天然气脱硫技术等相关研究。基于有限管式空间内气液雾化混合和气液分离方面的大量应用基础研究,成功研制出了管式气液雾化混合器、管式天然气甘醇脱水器等。目前正与中国石化石油勘探开发研究院合作,开展管式气液接触脱水器的现场应用研究,实现高效管式天然气脱水技术从理论研究走向实际应用。

项目名称 时间 项目类型
紧凑高效管式天然气脱水处理技术及装置研究 2022.01~2024.12 中国石油化工股份有限公司科研项目(项目编号:322040)
基于微液滴分散强化吸收传质的天然气脱水机理与特性研究 2019.01~2021.12 国家自然科学基金青年基金(项目编号:21808015)
基于液滴微界面强化选择性吸收的管式天然气脱硫技术研究 2022.01~2024.12 北京市教委科技计划一般项目(项目编号:KM202210017009)

我们发表的文章及申请的专利    

1

Lingzhen Kong, Jiaqing Chen, Tian Lan, et al. Spray and mixing characteristics of liquid jet in a tubular gas-liquid atomization mixer[J]. Chinese Journal of Chemical Engineering, 2021, 34(6):1-11.

2

Lingzhen Kong, Tian Lan, Jiaqing Chen, Kuisheng Wang, Huan Sun. Breakup processes and droplet characteristics of liquid jet injected into low-speed air crossflow[J]. Processes, 2020, 8(6): 676.

3

孔令真, 陈家庆, 孙欢, 等. 微液滴强化传质的天然气甘醇脱水技术进展[J]. 石油机械, 2022, 50(10): 102-110.

4

兰天, 孔令真, 陈家庆, 王奎升. 低速横流作用下液体射流初次破碎实验[J]. 化工进展, 2020, 39(04): 1282-1291.

5

兰天, 孔令真, 陈家庆, 王奎升. 基于图像处理的低速横流中液体射流轨迹提取方法研究[J]. 实验流体力学, 2020, 34(04): 94-101.    

6

孔令真,陈家庆,兰天,孙欢. 一种高效紧凑型天然气甘醇脱水系统及方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,ZL202010279907.1,2021年04月10日申请;2022年02月11日授权公告,CN111454758B.    

7

孔令真,陈家庆,兰天,孙欢. 一种管状并流式气液接触吸收器[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,ZL202010289590.X,2020年04月14日申请;2021年03月16日授权公告,CN111471499B.    

8

孔令真,陈家庆,孙欢,刘美丽,王强强,杨寒月. 一种管式气液雾化混合器混合性能测试装置及方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,ZL202110323884.4,2021年03月26日申请;2022年11月04日公开,CN113074974B.

9

孔令真,陈家庆,兰天,孙欢. 一种高效紧凑型天然气甘醇脱水系统及方法[P]. 中华人民共和国国家知识产权局,ZL202010279907.1,2021年04月10日申请;2022年02月11日授权公告,CN111454758B.

供拓展阅读的国内外相关文献及专利    

1

张志炳, 田洪舟, 王丹亮, 等. 气液反应体系相界面传质强化研究[J]. 化学工程, 2016, 44(03): 1-8.    

2

王贞涛, 郭天宇, 夏磊, 等. 雾滴内部流动及二氧化硫吸收过程的数值模拟[J]. 江苏大学学报(自然科学版), 2017, 38(3): 289-294.    

3

关国强, 朱家骅, 夏素兰, 等. 高速气流加速下雾粒的传质[J]. 四川大学学报(工程科学版), 2003, 35(3): 42-48.    

4

Neumann B K, Seltveit T O. New Compact Gas Dehydration Technology[C]. OTC-29810, Offshore Technology Conference Brasil, Rio de Janeiro, Brazil. 29-31 October, 2019.    

5

Humoud A A, Boudi A A, Al-Qahtani S D. New Application of an Inline Separation Technology in a Real Wet Gas Field[C]. SPE-117459, Abu Dhabi International Petroleum Exhibition and Conference, Abu Dhabi, UAE. 3-6 November, 2008.    

6

Ramkumar S, Grave E J, Larnholm P R, et al. cMIST™: Novel, Compact Dehydration System for Reducing Size and Weight[C]. OTC-27746, Offshore Technology Conference, Houston, Texas, USA. 1-4 May, 2017.    

7

Biard P F, Couvert A, Renner C. Intensification of volatile organic compound absorption in a compact wet scrubber at co-current flow[J]. Chemosphere, 2017, 173: 612-621.    

8

张志炳, 田洪舟, 张锋. 周政. 多相反应体系的微界面强化简述[J]. 化工学报, 2018, 69(1): 44-49.    

9

李光晓, 刘塞尔, 苏远海. 微尺度内液-液传质及反应过程强化的研究进展[J]. 化工学报, 2021, 72(1): 452-467.