射流闪蒸研究进展及其应用

时间：2021-08-17 10:30:24 所属分类：冶金工业 浏览量:

射流撞击与负压闪蒸技术在水污染治理方面都具有较好处理效果[1,2]。然而，射流撞击技术与负压闪蒸技术在高浓度氨氮废水处理领域的研究较少，且其耦合强化研究的报道更为少见[3,4]。因而，从传质与分离耦合强化的研究角度出发，利用射流撞击-负压闪蒸耦合模式

　　射流撞击与负压闪蒸技术在水污染治理方面都具有较好处理效果[1,2]。然而，射流撞击技术与负压闪蒸技术在高浓度氨氮废水处理领域的研究较少，且其耦合强化研究的报道更为少见[3,4]。因而，从传质与分离耦合强化的研究角度出发，利用射流撞击-负压闪蒸耦合模式强化氨氮废水中脱氨行为可作为高浓度氨氮废水吹脱过程强化研究中有效手段之一。事实上，射流闪蒸具有结合射流破碎过程中多变的气液交界面与闪蒸强化热质传递的优点。研究发现，在此过程中，射流液相的表面更新和破碎作用，可为后续闪蒸效率的提升奠定基础，从而使得射流破碎结合闪蒸强化传热传质性能显着增强。最终，以其优越的传热传质性能表现，促使这类新型耦合技术研究逐渐走向工业成熟化的应用。因此，射流闪蒸的研究对理论要求以及指导工业化生产具有重要意义。

　　1、射流破碎及闪蒸研究进展

　　1.1 、射流破碎研究进展

　　三大经典破碎理论指出：射流破碎是一个有序的物理过程。关于其研究，最早是从液体能量角度提出，Plateau[5]最先研究了射流表面能对射流过程产生形变逐渐至破碎的影响，率先开创了射流研究。随后Rayleigh[6]提出忽略流体粘性及重力影响的条件下，认为射流过程中的形变波动及破碎主要受液体物性表面张力影响[7]。但是两者的研究均从各自研究角度出发，相互独立并没有多大关联。直至后来，Weber[8]总结了前人的研究后提出，影响射流过程形态变化，是液体物性参数与外在物理条件，共同影响作用的效果。同时，还综合了液体自身物性与运动参数，提出了无量纲韦伯数的概念，用于表征两相流在交界面上的运动特征。

　　现今，射流破碎的理论，普遍认为自由射流发生破碎的诱导因素，是运动表面生成不稳定波[9]。随后，引发流体发生形变继而产生破碎[10]。总的来讲，根据破碎在喷射方向的分段特征，将破碎定义为逐级破碎。即在喷射方向不同位置处的破碎，分为初级破碎、次级破碎等。按照破碎的主要产生因素，又可分为压力破碎、碰撞破碎、风生破碎等[11]。按照逐级破碎方式的不同，也可以划分为膜状破碎、袋式/韧带式破碎、丝状破碎等[12]。液滴射流雾化过程如图1所示。

　　1.2 、闪蒸研究进展

　　关于闪蒸的概念，是与闪急沸腾概念一同被提出的，并逐渐受到广泛关注。目前，关于闪蒸的应用主要聚焦于，海水淡化水处理[25,26]，低品位能源利用[27]以及电厂有害气体减排[28]等领域。闪蒸的基本原理可描述为：当过热的液体在进入低于饱和温度的环境中时，液体内部的过热能量会以显热的形式释放，并作为液体直接汽化的热量。随后，过热液体形成，并快速的汽化蒸发。其中，过热能量越大，闪急蒸发过程就会越激烈[29]。

　　在早期的闪蒸研究中，主要侧重于容器类的闪蒸。然而，受限于容器大小的影响，使得闪蒸过程中的相接触面积有限，且容易在闪蒸液面附近处形成局部热量集中区域，从而导致温度梯度较小，造成闪蒸效率很低[30]。因而，如何解决闪蒸过程中受蒸发接触面积限制以及闪蒸区域内传热效率低的问题，已经成为一大研究热点。

　　2 、射流闪蒸的应用

　　近年来，以闪蒸工艺为基础的耦合强化思路，逐渐被提出。如射流与闪蒸的耦合应用。事实上，射流过程中独特的两相界面以及射流破碎形成的微小液滴，都具有很高的比表面积，使得传热和传质面积得到大大地增强。因此，射流破碎与闪蒸的结合工艺在传热传质方面具有优秀的表现。所以，目前关于闪蒸研究中，结合液相破碎的技术使闪蒸过程的效率提高到了一个新的高度。

　　3 、射流闪蒸中的特征现象

　　射流碰撞是射流闪蒸过程中利用流体动力学引发液相破碎的惯用手段，其实际应用非常广泛，如冲击射流换热驻点附近的射流流动、发动机喷油燃烧、喷雾喷涂等[49]。按照射流碰撞分类，可以将射流碰撞分为直射射流冲击碰撞和雾化射流碰撞。关于冲击式直射射流碰撞，是通过巨大的射流动量冲击引发主体射流破碎。对于冲击方式的选择，现今主流的研究有单相射流对冲式撞击破碎[50]和第二相协助冲击破碎[51]。关于雾化射流碰撞，是通过大量射流雾化粒子在运动中相互影响，产生碰撞来实现。总的来说，在射流碰撞破碎过程中，主要是由于密集独立分散液相之间的相对运动，导致各液相之间相互碰撞作用，而产生的碰撞结果如液相破碎、合并、分散等行为，进而影响区域内液滴的大小分布情况、运动分布情况。同时，液滴碰撞造成的液滴变形、二次雾化、运动变化等特征，也会对后续有蒸发参与过程、传热传质参与过程等产生连锁性影响。对于射流闪蒸过程中，液相射流产生的碰撞破碎行为，对后续闪蒸效率有至关重要的影响。也就是说，在研究射流闪蒸过程中，液相的碰撞破碎影响作用不可忽视。

　　3.1、射流闪蒸过程中的动量传递

　　对射流闪蒸而言，整个过程伴随着多相运动以及相变过程，液相不断的快速蒸发导致其动量传递过程与单一的射流有很大区别[52]。具体地，在射流方向上，由于液相的闪蒸作用，射流沿下游的速度刚性急剧衰减，再加上蒸发汽化作用，使得主射流的速度方向矢量发散。同时，由于蒸发热形成的扩散，造成在径向上的动量出现膨胀行为。因此，上述行为的发生，导致了射流闪蒸过程中动量传递出现较大的混乱特性[53]。研究表明，受到射流的混乱运动影响，在闪蒸初期，射流液相极容易与周围液相碰撞发生相互作用。同时，这种碰撞作用进一步改变了闪蒸过程[54]。Tonini等[55]利用模型计算的方式，证明处于蒸发状态的液相发生碰撞时，其表面形变曲率越大，同时对应处蒸发的浓度梯度也越大。上述研究表明，碰撞对液相产生的形变，会促进液相蒸发。此外，射流动量特性也能直接影响闪蒸传质。即在射流初始速度较大时，闪蒸效率明显提高。这种现象的原因，是由于初始动量越大，射流影响范围也越广，使得闪蒸发生的空间不断扩大，进而强化了闪蒸过程。

　　3.2 、射流闪蒸过程中的热量传递

　　射流闪蒸的热量传递，受到射流液相运动与蒸发耦合过程的影响，从而导致体系内传热过程十分复杂。事实上，射流闪蒸中热量的传递行为，直接主导闪蒸过程的优劣。因此，对射流闪蒸传热的研究多集中在闪蒸传热方面。

　　射流闪蒸阶段的主要传热方式，有对流、导热、相变传热[56]。对于闪蒸过程，相变传热具备独有的特点。即从相变换热角度来看，液相闪蒸成为气相时，液相热量首先以显热的形式释放，被发生相变所需的潜热所吸收，从而快速的完成相转变过程。Ji等[57]以此为基础，通过分析闪蒸过程中的可用显热与蒸发所需能量关系，得到闪蒸与Ja数之间的关联，证实了热量传递会对闪蒸过程产生影响。从热量扩散的角度，液相经闪蒸得以汽化，形成的气相具有很强的扩散性。随后，热量再通过气相携带作用进行快速传递。正是得益于气相对热量的携带作用，闪蒸过程中的热量在空间中迅速传递。以上两个因素的共同作用，促进了热量的传递过程，从而提高闪蒸过程传热效率[58]。

　　3.3、 射流闪蒸过程中的质量传递

　　前两部分关于射流闪蒸中的传递分析表明，动量传递和热量传递，是促进射流闪蒸传质的关键因素。因此，对射流闪蒸的传质过程分析，一般以这两项参数作为主要考虑的影响因素。

　　闪蒸作为传质进行的主体阶段，无论是液相汽化蒸发，还是挥发性气体挥发等，其传质过程遵循气相的扩散规律。即对于闪蒸形成的气相扩散过程，其基本的扩散方式为浓度扩散。此过程中蒸汽相浓度的大小，受传热过程的影响，也就是热量的传递快慢，直接决定气相扩散的快慢[59]。Markadeh等[60]分析得到，处于蒸发条件下的液滴，在蒸发初始阶段热量传播速率大于蒸汽质量传播速率。而在蒸发后半段，质量传播速率大于热量传播速率。这是由于蒸发初期蒸汽浓度低，导致浓度梯度推动的传质过程缓慢。随着蒸发不断进行，质量扩散逐渐受对流传质扰动等影响，其传质作用增强。

　　然而，以上是针对闪蒸理想化的浓度扩散过程，而实际的射流闪蒸传质过程稍显复杂。以射流碰撞破碎闪蒸为例，射流形成的复杂液相运动，造成液滴破碎、相邻液相互影响等结果，导致闪蒸传质的分析，不能简单的采用传质扩散模型。因此，在进行实验研究过程中，还需要辅助以模拟的方式加以分析。Castanet等[61]利用实验与模拟的方式，分析了处于强制蒸发条件下相邻液滴的蒸发行为。研究发现，在蒸汽边界层内，传质主要受扩散控制，液滴之间间距越小，相邻液滴蒸发受到干扰，从而导致传质性能急剧减小。

　　4、结论

　　射流闪蒸作为一个强传热传质过程，在此过程中伴随着射流运动的动量传递、温度变化的热量传递以及闪蒸作用导致的质量传递。以上三个过程受射流条件和闪蒸条件的共同影响作用，并且三者的变化情况常常相互影响。因此，在研究射流闪蒸过程的传递现象中，常把三个过程综合起来进行分析。

　　特别地，射流技术和闪蒸技术在各自领域均有针对性的应用实施。射流闪蒸耦合技术，兼具两者的特性，可进一步拓展了其应用范围。以上明显的优势，将有利于以射流闪蒸为基础强化手段，逐步推进其向工业化的进程。然而，目前关于射流闪蒸耦合强化机制研究较为缺乏，限制了耦合强化技术在工业过程中的应用。

　　参考文献

　　[1]邓松圣，廖松,于以兵，等异彤中心体诱发空化射流的数值模拟研究[J].流体机械, 2017, 45 (5):21-25.

　　[2] DEGERMENCI N, ATAO N, YILDZ E. Ammonia removal by air stripping in a semi-batch jet loop reactor[J]. Journal of Industrial & Engineering Chemistry, 2012, 18: 399-404.

　　《射流闪蒸研究进展及其应用》来源：《重庆理工大学学报(自然科学)》，作者：邱发成,贺世豪,熊沛

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