液体燃料生产中液滴形成的调控机制：以旋转剪切场中的煤油 - 水体系为例

《Journal of the Taiwan Institute of Chemical Engineers》：Regulatory Mechanisms of Droplet Formation for the Production of Liquid Fuels: Kerosene-Water System in a Rotating Shear Field as an example

　　

摘要

背景

分散相液滴的破碎在提高液体燃料生产中的传质效率方面起着关键作用，该过程强烈受初始液滴特性的控制。因此，明确了解液滴形成机制对于调节液滴尺寸分布和提高传质效率至关重要。

方法

提出了一种能够表征旋转剪切流场的可视化流道，以研究初始液滴的产生。使用高速相机和图像处理技术来表征液滴的形成和特征。

重要发现

分散相尾部发展、颈部出现以及液桥形成和脱落后，产生等效直径约为 1.37 mm 的主液滴。子液滴是通过液桥脱落形成的，其显著小于主液滴，等效直径约为 0.31 mm。最后，开发了基于多组份对数正态分布函数的调节模型。当 Re_w = 14814, Re_o = 267，D_{Peak A} = 0.17 mm 且 D_{Peak B} = 0.51 mm，D_{Peak C} = 1.02 mm 时，可实现 0.67 mm 的加权平均液滴直径。

引言

由于化石燃料储备的枯竭和环境问题的加剧，对可再生清洁能源的需求变得迫切 [1,2]。生物柴油 [3]、烷基化汽油 [4] 和生物原油 [5] 的生产属于液 - 液非均相反应体系，因其高环保性和强稳定性而受到越来越多的关注 [6,7]。当传质与反应动力学有效匹配时 [8,9]，这些系统的整体反应效率得到提高。

增强分散相液滴的破碎以增加界面接触面积，是强化反应体系传热和传质的关键策略 [10,11]。剪切力和湍流在旋转剪切场内耦合，导致液滴表面的速度梯度、速度波动和压力波动更强 [[12], [13], [14], [15]]。这些效应有效破坏了液滴的稳定性，促进了液滴的进一步破碎。因此，旋转剪切场被广泛应用于各种液 - 液反应器中，以促进分散相液滴的破碎。旋转剪切场是通过旋转叶片 [21]、螺旋导叶 [22] 或弯曲内部组件 [23] 在搅拌釜 [16]、旋风反应器 [17]、静态混合器 [18]、旋转填料床 [19] 和转子 - 定子搅拌盘反应器 [20] 内产生和增强的。在搅拌釜反应器和旋风反应器内的旋转剪切场中，分别观察到平均直径为 300 μm 和 100 μm 的液滴 [24,25]。

旋转剪切场内液滴破碎的机制已被广泛研究。对于小液滴，破碎通常由湍流波动主导 [26,27]，而随着液滴尺寸的增加，剪切诱导脱落 [28] 和界面不稳定性 [29] 变得日益重要 [30]。此外，不规则的液滴形状会削弱液滴稳定性并放大湍流、剪切和界面扰动的影响。这些发现表明，流场特性对液滴破碎的影响强烈依赖于初始液滴尺寸和形态 [31,32] 因素，而这些因素在以往的研究中常被简化或忽略。

然而，大多数关于液滴产生和尺寸控制的现有研究集中在微通道反应器上。即使在这些系统中，产生的液滴尺寸范围也可能超过 200% [33]，并且随着微通道尺寸的增加，液滴产生的稳定性显著下降 [34]。工业反应器和静态混合器具有大得多的反应空间、更强的流场异质性和更复杂的操作条件。因此，此类系统中的液滴形成本质上更随机，初始液滴尺寸和形状分布变得宽得多。尽管具有实际重要性，但工业规模反应器和混合器中的液滴产生受到的关注相对有限。因此，由于反应空间和操作参数等因素，液滴产生的变异性在大型反应器中变得更加明显，液滴尺寸和形状变异性对后续液滴破碎的影响不容忽视。

设计了一种可视化流道以表征反应器中旋转剪切场的流场特征。采用高速相机技术和图像处理技术来研究旋转剪切场内液滴形成的差异。研究了分散相液滴产生的机制，定量表征了形成液滴的尺寸和变异性。此外，考察了两相速度对液滴产生模式的影响。最后，开发了液滴形成的调节模型。

章节片段

带图像采集的实验系统

图 1 展示了实验装置的示意图，包含五个核心子系统：（I）高速相机系统（Phantom VEO E-310L），（II）90°弯管（宽度：4mm，深度：50mm），（III）LED 背光照明系统，（IV）分散相注射泵（LD-P2020II），以及（V）连续相离心泵（AMS3701/1.5）。弯管中的液滴形成是通过连续相流对分散相的剪切诱导破碎实现的。

旋转剪切流场中的流动特性

图 4 显示了液滴形成的过程。分散相最初在旋转剪切场中以“尾部”（a）的形式保持稳定。在连续相的影响下，该尾部的方向发生偏移，导致尾部表面形成“颈部”（b）。当尾部流动方向与连续相流动方向一致时，尾部上的剪切力达到最大 [38]。此时，尾部前段的颈部进一步

结论

基于可视化流道研究了旋转剪切流场内液滴产生的差异。定量表征了形成液滴的尺寸和变异性。此外，研究了两相速度对液滴形成的影响。最后，建立了旋转剪切流场内液滴产生的调节模型。主要结论如下：

• （1）最初产生的分散相

CRediT 作者贡献声明

Jinghe Bi: 写作 – 初稿，方法论，调查。 FaJian Li: 方法论，调查。 Xinhao Li: 写作 – 初稿，调查。 Xiaoli Zhu: 写作 – 审查与编辑，资助获取。 Xiaogang Xu: 写作 – 审查与编辑，方法论，资助获取。 Liang Fang: 写作 – 审查与编辑，资助获取。 Liyun Zhu: 写作 – 审查与编辑，方法论，调查。 Zhenbo Wang: 写作 – 审查与编辑，资助获取。

Jinghe Bi|FaJian Li|Xinhao Li|Xiaoli Zhu|Xiaogang Xu|Liang Fang|Liyun Zhu|Zhenbo Wang

中国石油大学（华东）新能源学院，中国青岛，266580