3.1　流型观察系统构建及测试方法

3.1.1　WSA装置与实验流程

实验中WSA参照传统旋风分离器尺寸比例设计，由主筒体、封头和中心排气管组成，筒体和封头采用法兰连接。WSA主筒体内径D为70mm，筒体长H=4D，为280mm，WSA的中心排气管直径d为 40mm，其插入WSA筒体长度h=2D，为140mm。封头采用常规旋风分离器螺旋进口封头，其进口尺寸为25mm×25mm。为了便于观察实验流型，WSA制作成单喷孔无夹套结构，喷孔位于主筒体上，直径为2mm，距离旋风进口中心垂直距离为90mm。实验系统由WSA、液体贮槽、液体循环泵、风机、筛板式气液分离器及系统测试配套的气、液流量计和U形压差计等组成，如图3.1所示。其中，WSA主筒体、储液槽和气液分离器均采用透明的有机玻璃制成，便于观察实验现象。

图3.1　WSA装置与实验流程图

1—转子流量计；2-1，2-2，2-3，2-4—阀门；3—CO₂ 气体钢瓶；4—风机；5—U形压差计；6—水力喷射空气旋流器；7-1，7-2—储液槽；8—气液分离器；9—循环液泵

3.1.2　WSA液相射流流型观察

WSA装置和实验流程如图3.1所示，实验时打开阀门2-3，采取循环流动式操作，以5mg·L^-1的甲基橙为液相流动介质，进行流型观察实验。首先将甲基橙溶液倒入水槽中，开启液泵，循环液通过WSA主筒体上的2mm喷孔向中心气管产生稳态射流。开启风机，让气流经过气体流量计和管道，从WSA的螺旋封头进口切向进入WSA中，然后气流螺旋向下运动，在WSA主筒体内实现液体射流场和空气旋流场耦合作用。液相由WSA主筒体下方管路流回储液槽7-1；空气通过反向涡旋作用，由中心排气管排出。实验时，通过阀门改变进气速度和射流流速，观察不同流速下射流流型随进口气速的变化，并记录射流流型转化的临界气液流速，每次实验重复3次，结果为3次实验的平均值。

3.1.3　WSA有效比相界面积a的测定

本实验采用化学法（CO₂-NaOH体系）测定WSA内气液相间传质面积。实验时，关闭阀门2-3，进行单向液循环。首先配制3mol·L^-1的NaOH溶液，将其倒入储液槽7-1中，开启循环液泵，碱液经喷孔喷射后由WSA主筒体底部管道排出至储液槽7-2中。液相循环1～2min后，开启风机和CO₂钢瓶阀门，空气和CO₂在管道中混合后从WSA顶部切向进入，产生强烈的旋流气流，撞击径向射流液柱，并向下做螺旋运动，经过气液两相相互作用后，气体从WSA的中心排气管排出，吸收液流入储液槽7-2，保证碱液为单程循环吸收。气流中CO₂的浓度采用O₂、CO₂气体测定仪（CYES-Ⅱ型）测定；液体的黏度利用乌氏黏度计测得，液相中NaOH及Na₂CO₃的浓度采用双指示剂法测定。实验过程中，操作温度为19～22℃，进口气体中CO₂的体积分数控制为1.5%，所有条件下的实验至少重复2次。

有研究表明，当NaOH溶液浓度为0.5～4mol/L，CO₂体积分数为1.5%～5%时，两者之间的反应可以认为是快速拟一级化学反应，所以WSA中气-液两相之间有效比相界面积可表示为：

　　（3.1）

式中，A、V_p分别为传质面积和传质体积，本研究以WSA的内管与中心气升管之间环隙的体积作为传质体积，V_p= 4.79×10^-4 m³；G_A为CO₂化学吸收速率，mol·s^-1，可通过Na₂CO₃生成速率得到；H为CO₂的溶解度系数，本实验中约为1.47×10^-7 kmol·m^-3·Pa^-1；D为CO₂在水溶液中的扩散系数，本实验条件下约为8.30×10^-10m²·s^-1；p为CO₂的分压，Pa。k₁为拟一级反应速率常数，s^-1，可通过下式进行计算：

　　（3.2）

其中：I为离子强度，kmol·m^-3，；c_i为溶液中离子浓度，kmol·m^-3；z_i为溶液中离子价数；为OH^-在溶液中的浓度，kmol·m^-3；k₂为CO₂与NaOH二级反应速率常数，m³·kmol^-1·s^-1；T为液相主体的温度，本实验中，T=292～295K；为CO₂在无限稀释NaOH溶液中的反应速率常数，约为18560m³·kmol^-1·s^-1。