CN113237793B - 一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置。利用刃天青显色反应并以烟雾为示踪颗粒，通过向气泡观察室内加入配制的一定浓度的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液至一定的液位，并通入氧气与烟雾的混合气体，借助高速摄像机与图像处理***，同时显示气泡内部流体流动和气泡外液相传质现象。本发明捕捉到的气泡内部流动现象明显，且气泡外传质尾迹清晰。

Description

一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置
【技术领域】
本发明属于化工分离与传质领域，具体涉及一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置。
【背景技术】
精馏被广泛应用于液体混合物的分离，具有处理量大、适用性强等优点，但由于精馏塔板上气液相接触不充分，导致其分离效率偏低。而对于近沸点混合物或共沸混合物等的高纯度分离，分离效率低将会导致耗能严重等问题。精馏塔板上气液共存的主要形式是气泡，混合物中易挥发组分自气相传递至液相的过程主要受界面、液侧及气侧传质影响。研究气泡内部流动和泡外传质对强化精馏过程具有重要意义，然而目前对于同时显示气泡内部流动与泡外传质的实验方法和装置仍未有较大突破，因此亟需开发一种能够在显示气泡内部流动形式的同时还能反映泡外传质的实验方法及装置。
【发明内容】
[要解决的技术问题]
本发明的目的是针对当前气泡内部流动与泡外传质研究缺少合适的研究方法及装置的问题，借助图像捕捉处理技术，将上升气泡内部流动现象和泡外传质行为同时捕捉，从而更深入地分析流体流动与传质现象，进而开发一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置。
[技术方案]
本发明是通过下述技术方案实现的。
本发明克服了无法同时捕捉并显示气泡内部流动与泡外传质现象的缺点，提出了一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置。本发明涉及配制合适浓度的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，这对于一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法至关重要。以刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液为液相，纯氧气为气相，开始时溶于液体的刃天青呈现蓝色，此时加入过量的氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，刃天青被还原为粉色的试卤灵溶液，进一步被过量的葡萄糖还原为无色的双氢试卤灵溶液。通入纯氧后无色的双氢试卤灵溶液重新被氧化为粉色的试卤灵溶液，根据以上反应的变色现象可以很好地显示并捕捉到泡外传质现象。同时，被氧气包裹的烟雾示踪剂随氧气气泡的上升过程形成烟线，可用于捕捉泡内流体的流动现象。
一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置，其主要特征包括以下装置：烟雾发生器(S1)、氧气储气罐(S2)、多余烟雾收集器(S3)、矩形混合器(S4)、激光发生器(S5)、激光导光臂(S6)、激光输出筒(S7)、气泡观察室(S8)、鼓泡针(S9)、缓冲室(S10)、高速摄像机(S11)、图像处理***(S12)、空气泵(P1)、氧气蠕动泵(P2)、烟雾阀(V1)、多余烟雾阀(V2)、空气阀(V3)、混合烟雾阀(V4)；空气泵(P1)依次经空气阀(V3)、缓冲室(S10)、鼓泡针(S9)与气泡观察室(S8)连接以向气泡观察室(S8)通入空气，气泡观察室(S8)装有一定液位高度配制的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，烟雾发生器(S1)经烟雾阀(V1)与矩形混合器(S4)连接以向矩形混合器(S4)通入烟雾示踪剂，矩形混合器(S4)四个面上的细管接口分别与烟雾阀(V1)、氧气蠕动泵(P2)、多余烟雾阀(V2)及混合烟雾阀(V4)连接，多余烟雾阀(V2)与多余烟雾收集器(S3)连接以向多余烟雾收集器(S3)通入矩形混合器(S4)中多余的烟雾，氧气蠕动泵(P2)与氧气储气罐(S2)连接以将氧气输送至矩形混合器(S4)中，混合烟雾阀(V4)依次与缓冲室(S10)、鼓泡针(S9)、气泡观察室(S8)连接，激光发生器(S5)依次与激光导光臂(S6)、激光输出筒(S7)连接使得激光垂直向下照射气泡观察室(S8)，高速摄像机(S11)与图像处理***(S12)连接进行图像捕捉与处理。
优选的是：配制的刃天青溶液浓度范围为0.12g/L-1.2g/L，氢氧化钠溶液浓度范围为0.5g/L-2.0g/L，葡萄糖溶液浓度范围为15g/L-45g/L。
优选的是：矩形混合器(S4)边长为8cm-12cm，四个面上连接四个细管接口，细管接口管径为5mm-8mm。
优选的是：注入气泡观察室(S8)内的液体液位高度为12cm-18cm。
优选的是：激光输出筒(S7)垂直向下距离气泡观察室(S8)内的溶液液面40cm-55cm，激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度。
由于气泡观察室(S8)内的液体容易发生倒灌，因此本发明采用与空气阀(V3)相连的独立空气泵(P1)通道通气，防止倒灌现象发生。
优选的激光输出筒(S7)垂直向下距离气泡观察室(S8)内的溶液液面40cm-55cm，激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度。目的是实现激光光束能量最强的部位与上升气泡正好相切，此时调试合适的激光能量和明亮的视野范围进行上升气泡的图像捕捉。
实现一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置进行的实验主要包括以下步骤：
①配制一定浓度的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，开启图像处理***(S12)和激光发生器(S5)，并连接高速摄像机(S11)；
②打开空气泵(P1)，经过空气阀(V3)向气泡观察室(S8)内通气；
③通气一段时间后，向气泡观察室(S8)内缓缓注入配制好的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液至一定的液位高度；
④打开烟雾发生器(S1)与烟雾阀(V1)向矩形混合器(S4)内充烟，充入一定的烟雾后关闭烟雾阀(V1)与烟雾发生器(S1)，打开多余烟雾阀(V2)向多余烟雾收集器(S3)排出多余的烟雾；
⑤关闭多余烟雾阀(V2)同时打开氧气蠕动泵(P2)将氧气储气罐(S2)的氧气输送到矩形混合器(S4)中，此时打开混合烟雾阀(V4)同时关闭空气阀(V3)与空气泵(P1)，烟雾经缓冲室(S10)由鼓泡针(S9)向气泡观察室(S8)内鼓入带有烟雾的气泡；
⑥打开激光发生器(S5)，调整激光导光臂(S6)和激光输出筒(S7)，同时打开高速摄像机(S11)进行图像捕捉，图像由图像处理***(S12)进行处理；
⑦实验结束时，关闭激光发生器(S5)、高速摄像机(S11)及图像处理***(S12)，将气泡观察室(S8)中液体倒出，关闭氧气蠕动泵(P2)与混合烟雾阀(V4)。
[有益效果]
本发明与现有技术相比，主要有以下有益效果：
(1)采用该实验装置不仅能够清晰地显示泡外传质现象同时还能显示气泡内部流体的流动现象。
(2)优选的矩形混合器(S4)能够很好地控制烟雾示踪剂的浓度，提高了其可控性，大幅增加了气泡内部流动现象的清晰度。
(3)空气阀(V3)和混合烟雾阀(V4)的配合使用，增强了上升气泡的连续性。
(4)激光光束的照射位置、距离及液面高度的严格控制，增强了上升气泡的泡内流动现象的显示清晰度。
【附图说明】
附图1是本发明一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法与装置示意图。
图中：S1-烟雾发生器、S2-氧气储气罐、S3-多余烟雾收集器、S4-矩形混合器、S5-激光发生器、S6-激光导光臂、S7-激光输出筒、S8-气泡观察室、S9-鼓泡针、S10-缓冲室、S11-高速摄像机、S12-图像处理***、P1-空气泵、P2-氧气蠕动泵、V1-烟雾阀、V2-多余烟雾阀、V3-空气阀、V4-混合烟雾阀。
【具体实施方式】
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
实施例一：
本发明一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法及装置用于实验室气泡的运动参数测定实验。
①配制浓度为0.12g/L的刃天青溶液、0.5g/L的氢氧化钠溶液和15g/L的葡萄糖溶液，开启电源，开启图像处理***(S12)和激光发生器(S5)，并连接高速摄像机(S11)，完成PIV装置的连接。
②打开空气泵(P1)，一段时间后打开空气阀(V3)，阀门为全开状态，使空气通入气泡观察室(S8)内。
③通气一段时间后，向气泡观察室(S8)内缓慢加入事先配制好的0.12g/L的刃天青溶液、0.5g/L的氢氧化钠溶液和15g/L的葡萄糖溶液至液位高度为12cm，观察液体鼓泡情况并检查装置是否存在倒灌现象。
④打开烟雾发生器(S1)向矩形混合器(S4)内充烟，灌满浓烟后关闭烟雾阀(V1)，打开多余烟雾阀(V2)排出多余的烟雾，控制矩形混合器(S4)的烟雾浓度。
⑤关闭多余烟雾阀(V2)，同时打开氧气蠕动泵(P2)并设置其功率，将氧气储气罐(S2)的纯氧气输送到边长为8cm矩形混合器(S4)中，细管接口管径为5mm，打开混合烟雾阀(V4)的同时关闭空气阀(V3)，混合烟雾阀(V4)缓缓打开，阀门开至能在缓冲室(S10)观察到有烟雾上升即可，烟雾经缓冲室(S10)由鼓泡针(S9)向气泡观察室(S8)内鼓入带有一定浓度烟雾的示踪剂气泡，使上升的气泡内产生连续的烟线。
⑥打开激光发生器(S5)，调节合适的激光能量，调至激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度，激光输出筒(S7)距离气泡观察室(S8)内溶液液面40cm，同时打开高速摄像机(S11)进行图像捕捉，所得图像由图像处理***处理分析。
⑦试验结束，首先关闭混合烟雾阀(V4)，将0.12g/L的刃天青溶液、0.5g/L的氢氧化钠溶液和15g/L的葡萄糖溶液从气泡观察室(S8)倒出，然后关闭氧气蠕动泵(P2)与混合烟雾阀(V4)，关闭激光发生器(S5)，关闭高速摄像机(S11)，最后关闭电源。
实施例二：
本发明一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法及装置用于模拟鼓泡塔塔内气泡的运动。
①配制浓度为0.8g/L的刃天青溶液、1.2g/L的氢氧化钠溶液和25g/L的葡萄糖溶液，开启电源，开启图像处理***(S12)和激光发生器(S5)，并连接高速摄像机(S11)，完成PIV装置的连接。
②打开空气泵(P1)，一段时间后打开空气阀(V3)，阀门为全开状态，使空气通入气泡观察室(S8)内。
③通气一段时间后，向气泡观察室(S8)内缓慢加入事先配制好的浓度为0.8g/L的刃天青溶液、1.2g/L的氢氧化钠溶液和25g/L的葡萄糖溶液至液位高度为15cm，观察液体鼓泡情况并检查装置是否存在倒灌现象。
④打开烟雾发生器(S1)向矩形混合器(S4)内充烟，灌满浓烟后关闭烟雾阀(V1)，打开多余烟雾阀(V2)排出多余的烟雾，控制矩形混合器(S4)的烟雾浓度。
⑤关闭多余烟雾阀(V2)，同时打开氧气蠕动泵(P2)并设置其功率，将氧气储气罐(S2)的纯氧气输送到边长为10cm的立方体矩形混合器(S4)中，细管接口管径为6mm，打开混合烟雾阀(V4)的同时关闭空气阀(V3)，混合烟雾阀(V4)缓缓打开，阀门开至能在缓冲室(S10)观察到有烟雾上升即可，烟雾经缓冲室(S10)由鼓泡针(S9)向气泡观察室(S8)内鼓入带有一定浓度烟雾的示踪剂气泡，使上升的气泡内产生连续的烟线。
⑥打开激光发生器(S5)，调节合适的激光能量，调至激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度，激光输出筒(S7)距离气泡观察室(S8)内溶液液面48cm，同时打开高速摄像机(S11)进行图像捕捉，所得图像由图像处理***处理分析。
⑦试验结束，首先关闭混合烟雾阀(V4)，将浓度为0.8g/L的刃天青溶液、1.2g/L的氢氧化钠溶液和25g/L的葡萄糖溶液从气泡观察室(S8)倒出，然后关闭动力设备，关闭激光发生器(S5)，关闭高速摄像机(S11)，最后关闭电源。
实施例三：
本发明一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验方法及装置用于模拟大直径精馏塔板上气泡的运动。
①配制浓度为1.2g/L的刃天青溶液、2.0g/L的氢氧化钠溶液和45g/L的葡萄糖溶液，开启电源，开启图像处理***(S12)和激光发生器(S5)，并连接高速摄像机(S11)，完成PIV装置的连接。
②打开空气泵(P1)，一段时间后打开空气阀(V3)，阀门在一开始时为全开状态，使空气通入气泡观察室(S8)内。
③通气一段时间后，向气泡观察室(S8)内缓慢加入事先配制好的浓度为1.2g/L的刃天青溶液、2.0g/L的氢氧化钠溶液和45g/L的葡萄糖溶液至液位高度为18cm，关小空气阀(V3)的阀门开度，观察液体鼓泡情况并检查装置是否存在倒灌现象。
④打开烟雾发生器(S1)向矩形混合器(S4)内充烟，灌满浓烟后关闭烟雾阀(V1)，打开多余烟雾阀(V2)排出多余的烟雾，控制矩形混合器(S4)的烟雾浓度。
⑤关闭多余烟雾阀(V2)，同时打开氧气蠕动泵(P2)并设置其功率，将氧气储气罐(S2)的纯氧气输送到边长为12cm矩形混合器(S4)中，细管接口管径为8mm，打开混合烟雾阀(V4)的同时关闭空气阀(V3)，混合烟雾阀(V4)瞬间全开，气泡观察室(S8)内产生带有一定浓度烟雾的示踪剂大气泡，使上升的气泡内产生连续的烟线，观察大气泡内部的产生的烟线。
⑥打开激光发生器(S5)，调节合适的激光能量，调至激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度，激光输出筒(S7)距离气泡观察室(S8)内溶液液面55cm，同时打开高速摄像机(S11)进行图像捕捉，所得图像由图像处理***处理分析。
⑦试验结束，首先关闭混合烟雾阀(V4)，将浓度为1.2g/L的刃天青溶液、2.0g/L的氢氧化钠溶液和45g/L的葡萄糖溶液从气泡观察室(S8)倒出，然后关闭动力设备，关闭激光发生器(S5)，关闭高速摄像机(S11)，最后关闭电源。

Claims (6)

1.一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置，其特征包括：烟雾发生器(S1)、氧气储气罐(S2)、多余烟雾收集器(S3)、矩形混合器(S4)、激光发生器(S5)、激光导光臂(S6)、激光输出筒(S7)、气泡观察室(S8)、鼓泡针(S9)、缓冲室(S10)、高速摄像机(S11)、图像处理***(S12)、空气泵(P1)、氧气蠕动泵(P2)、烟雾阀(V1)、多余烟雾阀(V2)、空气阀(V3)、混合烟雾阀(V4)；空气泵(P1)依次经空气阀(V3)、缓冲室(S10)、鼓泡针(S9)与气泡观察室(S8)连接以向气泡观察室(S8)通入空气，气泡观察室(S8)装有一定液位高度配制的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，烟雾发生器(S1)经烟雾阀(V1)与矩形混合器(S4)连接以向矩形混合器(S4)通入烟雾示踪剂，矩形混合器(S4)四个面上的细管接口分别与烟雾阀(V1)、氧气蠕动泵(P2)、多余烟雾阀(V2)及混合烟雾阀(V4)连接，多余烟雾阀(V2)与多余烟雾收集器(S3)连接以向多余烟雾收集器(S3)通入矩形混合器(S4)中多余的烟雾，氧气蠕动泵(P2)与氧气储气罐(S2)连接以将氧气输送至矩形混合器(S4)中，混合烟雾阀(V4)依次与缓冲室(S10)、鼓泡针(S9)、气泡观察室(S8)连接，激光发生器(S5)依次与激光导光臂(S6)、激光输出筒(S7)连接使得激光垂直向下照射气泡观察室(S8)，高速摄像机(S11)与图像处理***(S12)连接进行图像捕捉与处理。
2.根据权利要求1所述的一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置，其特征在于：配制的刃天青溶液浓度范围为0.12g/L-1.2g/L，氢氧化钠溶液浓度范围为0.5g/L-2.0g/L，葡萄糖溶液浓度范围为15g/L-45g/L。
3.根据权利要求1所述的一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置，其特征在于：矩形混合器(S4)边长为8cm-12cm，四个面上连接四个细管接口，细管接口管径为5mm-8mm。
4.根据权利要求1所述的一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置，其特征在于：注入气泡观察室(S8)内的液体液位高度为12cm-18cm。
5.根据权利要求1所述的一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置，其特征在于：激光输出筒(S7)垂直向下距离气泡观察室(S8)内的溶液液面40cm-55cm，激光与气泡观察室(S8)内液面呈90度。
6.采用如权利要求1所述一种耦合气泡内部流动与泡外传质的显示实验装置进行实验的方法，包括以下步骤：
①配制一定浓度的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液，开启图像处理***(S12)和激光发生器(S5)，并连接高速摄像机(S11)；
②打开空气泵(P1)，经过空气阀(V3)向气泡观察室(S8)内通气；
③通气一段时间后，向气泡观察室(S8)缓缓注入配制好的刃天青溶液、氢氧化钠溶液和葡萄糖溶液至一定的液位高度；
④打开烟雾发生器(S1)与烟雾阀(V1)向矩形混合器(S4)内充烟，充入一定的烟雾后关闭烟雾阀(V1)与烟雾发生器(S1)，打开多余烟雾阀(V2)向多余烟雾收集器(S3)排出多余的烟雾；
⑤关闭多余烟雾阀(V2)，同时打开氧气蠕动泵(P2)将氧气储气罐(S2)的氧气输送到矩形混合器(S4)中，此时打开混合烟雾阀(V4)同时关闭空气阀(V3)与空气泵(P1)，烟雾经缓冲室(S10)由鼓泡针(S9)向气泡观察室(S8)内鼓入带有烟雾的气泡；
⑥打开激光发生器(S5)，调整激光导光臂(S6)和激光输出筒(S7)，同时打开高速摄像机(S11)进行图像捕捉，由图像处理***(S12)进行图像处理；
⑦实验结束时，关闭激光发生器(S5)、高速摄像机(S11)及图像处理***(S12)，将气泡观察室(S8)中液体倒出，关闭氧气蠕动泵(P2)与混合烟雾阀(V4)。
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