CN113092480A - 一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 - Google Patents
一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113092480A CN113092480A CN201911318054.1A CN201911318054A CN113092480A CN 113092480 A CN113092480 A CN 113092480A CN 201911318054 A CN201911318054 A CN 201911318054A CN 113092480 A CN113092480 A CN 113092480A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- mass transfer
- liquid
- bubble
- inlet valve
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title claims abstract description 59
- 238000012546 transfer Methods 0.000 title claims abstract description 44
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000006399 behavior Effects 0.000 title claims abstract description 39
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title claims abstract description 21
- 238000012625 in-situ measurement Methods 0.000 title claims abstract description 14
- 238000000926 separation method Methods 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000520 microinjection Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 7
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 47
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 22
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 17
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 11
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229920003229 poly(methyl methacrylate) Polymers 0.000 claims description 5
- 239000004926 polymethyl methacrylate Substances 0.000 claims description 5
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 4
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 4
- 239000005354 aluminosilicate glass Substances 0.000 claims description 3
- 238000013016 damping Methods 0.000 claims description 3
- 239000004417 polycarbonate Substances 0.000 claims description 3
- 229920000515 polycarbonate Polymers 0.000 claims description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);zirconium(4+) Chemical compound [O-2].[O-2].[Zr+4] RVTZCBVAJQQJTK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910001928 zirconium oxide Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims 2
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 abstract description 2
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 abstract description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 6
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Inorganic materials [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 5
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 5
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N Zirconium dioxide Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 4
- 239000003513 alkali Substances 0.000 description 3
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N aluminium oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000003028 elevating effect Effects 0.000 description 2
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 2
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 2
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 2
- 239000008213 purified water Substances 0.000 description 2
- 238000011160 research Methods 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 1
- 230000005587 bubbling Effects 0.000 description 1
- UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N carbon dioxide;molecular oxygen Chemical compound O=O.O=C=O UBAZGMLMVVQSCD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004581 coalescence Methods 0.000 description 1
- JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N h2o hydrate Chemical compound O.O JEGUKCSWCFPDGT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002347 injection Methods 0.000 description 1
- 239000007924 injection Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 238000012805 post-processing Methods 0.000 description 1
- 238000004904 shortening Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000005514 two-phase flow Effects 0.000 description 1
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N21/85—Investigating moving fluids or granular solids
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T5/00—Image enhancement or restoration
- G06T5/70—Denoising; Smoothing
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
- G06T7/00—Image analysis
- G06T7/0002—Inspection of images, e.g. flaw detection
- G06T7/0004—Industrial image inspection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
- G01N2021/8405—Application to two-phase or mixed materials, e.g. gas dissolved in liquids
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Quality & Reliability (AREA)
- Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及气泡演变与气液传质的检测设备技术领域，特别涉及一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法。所述装置包括方形孔板、方形视窗、组件、面光源、微量注射泵、数据采集系统、高速摄像机、储液罐、进气阀、进液阀。本发明的装置利用光学成像的原理，发明一种原位观测并记录气泡动态行为的装置和方法，与图像处理软件结合，直接计算获得气泡分散流传质系数。此发明的优点在于，对流场无干扰，操作简单，测量准确，高质量地把抽象的气泡动态行为视频转化为具体的数据流，直接反映气泡微细化的效果。
Description
技术领域
本发明涉及气泡演变与气液传质的检测设备技术领域，特别涉及一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法。
背景技术
气液两相流行为广泛存在于化工、生物、环境等领域，特别是各种反应器中，如气-液两相鼓泡塔反应器、气-液-固三相流化床反应器、筛板塔式反应器等。气泡在孔口的生长及脱离状态对其在随后上升过程中气泡的形状、大小、振荡、聚并均会造成影响，决定了气液两相的接触时间和接触面积，从而影响气液两相之间的传热传质过程。因此，研究气泡的形成及脱离行为与气液传质性能对于提高多相反应器的效率具有重要意义。
当前研究主要采用实验直接测定气泡行为和获取传质系数或模拟计算气泡动态行为对气液两相传质过程的影响。实验测定气泡行为的方法主要分为浸入式和非浸入式，浸入式测量的局限性在于会因干扰流场而对气泡行为的测量产生偏差。因而，非浸入式测量受到广泛的关注。传质性能的确定常用的方法是化学吸收法，通过传质速率的高低间接反映气泡微细化的效果。通过模拟计算气泡动态行为虽然能够获取不同工况下气泡的动态行为和相应的传质性能，但是模拟计算结果的准确性有待验证。因此，寻找一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法显得尤为重要。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法，以便研究气泡动力学行为及其传质规律，丰富传质基本理论，提升多相反应器效率。该装置和方法可直接在线记录气泡动力学行为，获得清晰的气泡动态视频，仅通过后期图片处理便可简单计算得到气泡分散流传质系数。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
本发明的第一方面提供一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，所述装置包括方形孔板、方形视窗、组件、面光源、微量注射泵、数据采集系统、高速摄像机、储液罐、进气阀、进液阀。
所述方形孔板与方形视窗通过组件组合并密封，顶部接所述进液阀和储液罐，储液罐顶端开口，液面连通大气；
所述微量注射泵分别与所述进气阀和组件底部接气口连接，所述微量注射泵为所述装置提供气体，并控制气体流量，注射泵连接的注射器最大为100 mL。进气阀和接气口之间设置缓冲室，实验过程中，若需要换气，将进气阀关闭后，缓冲室内充满气体，可防止漏液现象的发生。
所述高速摄像机、组件和面光源依次架设在同一条光路上，分别用升降台固定在真蜂窝阻尼隔震光学平台上；
所述高速摄像机与数据采集系统连接，所得数据均上传至所述数据采集系统。
在优选的实施方案中，所述方形孔板的材料为不锈钢等坚硬可穿孔的致密材料，其上有单孔或者全覆盖/部分覆盖周期性点阵结构排列的多孔，或者氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛等无机材料制成的多孔材料，其孔径大小为毫米级至纳米级。
在优选的实施方案中，所述方形视窗由聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、铝硅酸盐玻璃等化学和热稳定性好、机械强度高和通透性强的材料制成，为了方便观察和数据处理，可在方形视窗四周设置纵向刻度。
在优选的实施方案中，所述面光源和高速摄像机均设置为沿垂直方向可移动，位置可根据实际需要调整到拍摄清晰完整气泡为准。
在优选的实施方案中，所述微量注射泵为单通道或多通道，单次实验最大进气量不高于750 mL，流速单位为m/s。
本发明的第二方面提供一种利用上述装置观测气泡形成与脱离行为与气液传质性能的原位测定方法，包括以下步骤：
步骤一，用角度仪测量平台上的各个部件的位置，利用升降台将整个装置进行位置调整；打开进气阀，启动所述微量注射泵，向组件中通入气体，达到一定压力后，气体透过所述方形孔板上的孔进入所述方形视窗；
步骤二，打开进液阀，在所述方形视窗内加入溶液；
步骤三，压力稳定后打开所述面光源，调试高速摄像机后沿垂直方向的不同高度处定点拍摄，获得小气泡从孔口逸出至上升到液面的动态过程，上传至数据采集系统。
步骤四，通过多种图片处理软件后期处理获得小气泡形成与脱离阶段的行为变化以及体积变化量随传质时间的变化，继而根据气泡的气体总量守恒、理想气体方程和亨利定律计算传质系数。
在优选的实施方案中，所述溶液外观需无色透明，选自去离子水、纯净水、或者可将通入的某种气体完全吸收的化学溶液。
上述装置和方法可通过对溶液和气体的不同选择，实现两个目的：
一，观察无气液传质情况下气泡形成及脱离行为：选取不溶于溶液的单一气体或混合气体。此时，气液接触过程中没有传质，可观察气泡的形成和脱离。优选溶液为离子水，或者纯净水。
二，观察气液传质情况下气泡形成及脱离行为：气体可自氧气、二氧化碳、氮气中选取两种或两种以上，也可选取空气等其他混合气体，进样的混合气体中至少一种气体可以被所述溶液完全吸收，且至少一种气体不溶于溶液。原理：混合气体生成的气泡中的可被液体吸收的气体与液体进行传质而逐渐被吸收，气泡尺寸会变小；可溶气体完全被吸收后，剩余的不溶气体产生的气泡大小不变，然后便可计算传质。
在优选的实施方案中，利用高速摄像机对所述小气泡进行录像，记录所述小气泡在方形孔板上和方形视窗中的形态变化。截取录像图像，使用Matlab软件消除图片中的噪声（由于拍摄频率的增高，画面分辨率降低，图片含有噪声），转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件以气泡孔为基准，先识别原点，以原点左侧和右侧分别对气泡两侧边界识别边界点后绘制边界线，拟合边界，求出所述小气泡的直径、表面积、体积、高宽比随时间的变化。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的装置能够可视化原位观测气泡动态行为，解决了传统浸入式观测方法干扰流场从而测量有偏差的问题。
(2)本发明的装置使用方形透明视窗，避免了传统圆形鼓泡塔中气泡拍摄变形、气泡边界不清晰的问题。
(3)本发明的观测方法利用光学成像原理形成影像并记录气泡动力学行为，具有其独特的优势，例如避免光学效应的影响、缩短后期图片处理的时间、拍摄聚焦范围增大、拍摄视野光线均匀等。整个拍摄过程简单、操作方便，保留了完整的气泡动态行为，解决了传统方法不能实时记录气泡行为规律的问题。
(4)本发明的方法后期处理数据时与选用的软件搭配，可大量高效地处理气泡数据，高质量地把抽象的气泡动态行为视频转化为具体的数据流，以便总结规律。
(5)本发明的方法通过原位拍摄的气泡体积随时间的变化计算得到传质系数，直接反映气泡微细化的效果。
(6)本发明可以实现固液界面上不反应和反应两种情况下毫秒级~纳米级单气泡和多气泡形成、脱离和消耗过程的观测。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图。
图2为气泡发生装置结构示意图。
图3为实施例1中孔口处气泡演变图。
图4为实施例2中孔口处气泡演变图。
图5为实施例3中气泡上升过程演变图。
图6实施例4中毫米级孔径孔口鼓泡时不同孔口气速下的体积传质系数变化图。
图7为微米级孔径孔口鼓泡时不同孔口气速下的体积传质系数变化图。
附图标记为：1方形孔板，2方形视窗，3组件，4面光源，5微量注射泵，6数据采集系统，7高速摄像机，8储液罐，9溶液，10气体，11小气泡，A进气阀，B进液阀。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合具体实施例对本发明做进一步说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明并不限于下面公开说明书的具体实施例的限制。
由于所用摄像机放大倍数较大，下述实施例中，为了尽可能减少微小倾角和桌面震动对气泡形状的影响，整个装置安装在真蜂窝阻尼光学平台上，该平台可以调整至绝对水平，组件装上后可以利用角度仪对其位置进行测量校正。平台为多孔状，可固定各种升降台，也可以调整各装置的距离和位置，相机可根据升降台实现垂直移动。
实施例1，如图1所示，本实施例提供一种在去离子水中在线观测气泡行为的方法。其中由聚甲基丙烯酸甲酯制成的方形透明视窗2（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 100 mm 高）底部放置孔径为1300 μm单孔方形孔板1（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 1.5 mm 厚），孔板材料为不锈钢，方形孔板下部设置气体缓冲室，缓冲室结构是一段直径扩大的管路，缓冲室上端与组件3配合密封，进气稳定后，缓冲室内充满气体。在需要换气时，将进气阀关闭，此时缓冲室内具有一定的压力，可以防止液体往孔里回流到进气管（后面实施例原理与本实施例相同），如图2所示。面光源4参数为电压24 V，光强6500 K，20 mm。高速摄像机7参数为帧率1200 fps，像素1280 × 720 pixels2，光圈22，倾斜角度0°~12°。
实验步骤为：打开进气阀A，启动微量注射泵5，向组件3中通入空气，以1 m/s的孔口气速透过方形孔板1，此时再打开进液阀B，缓慢加入去离子水至液面高度为30 mm，待压力稳定后打开面光源4和高速摄像机7，调试参数，拍摄气泡在孔口处形成至脱离的演变过程，上传至数据采集系统6。获得高清气泡动态视频后，首先使用Matlab软件消除图片中的噪声，转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件拟合边界，得到气泡在孔口形成至脱离的演变过程，如图3所示。
实施例2，方形透明视窗2（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 100 mm 高）底部放置孔径为100 μm方形孔板1（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 1 mm 厚），透明视窗材料为聚碳酸酯，孔板材料为氧化铝、氧化硅和氧化钛复合材料（复合材料的粒径和加入比例不作限制，可根据孔径需要进行调节）。面光源4参数为电压24 V，光强6500 K，20 mm。高速摄像机7参数为帧率1200 fps，像素1280 × 720 pixels2，光圈22，倾斜角度0°~12°。
实验步骤为：打开进气阀A，启动微量注射泵5，向组件3中通入空气，以1 m/s的孔口气速透过方形孔板1，此时再打开进液阀B，缓慢加入去离子水至液面高度为30 mm，待压力稳定后打开面光源4和高速摄像机7，调试参数，拍摄气泡在孔口处形成至脱离的演变过程，上传至数据采集系统6。获得高清气泡动态视频后，首先使用Matlab软件消除图片中的噪声，转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件拟合边界，得到气泡在单个孔口形成至脱离的演变过程，如图4所示。
实施例3，方形透明视窗2（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 100 mm 高）底部放置孔径为100 μm单孔方形孔板1（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 1.5 mm 厚），透明视窗材料为铝硅酸盐玻璃，孔板材料为不锈钢。面光源4参数为电压24 V，光强6500 K，22 mm。高速摄像机7参数为帧率1200 fps，像素1280 × 720 pixels2，光圈22，倾斜角度0°~12°。
实验步骤为：打开进气阀A，启动微量注射泵5，向组件3中通入CO2和N2的混合气体，其中CO2的初始体积分数为75%，N2的初始体积分数为25%。以1.25 m/s的孔口气速透过方形孔板1，此时再打开进液阀B，缓慢加入0.10 mol·L-1 NaOH碱液至液面高度为90 mm，待压力稳定后打开面光源4和高速摄像机7，调试参数，分别在气泡逸出孔孔口，距气泡逸出孔孔口垂直高度为50 mm、60 mm、70 mm、80 mm（以方形孔板1为水平面）以及液面6个定点处进行拍摄气泡演变视频，上传至数据采集系统6。获得高清气泡动态视频后，首先使用Matlab软件消除图片中的噪声，转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件拟合边界，得到气泡脱离孔口后在上升过程中的演变过程，如图5所示。
实施例4，方形透明视窗2（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 100 mm 高）底部放置孔径为1300 μm方形孔板1（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 2 mm 厚），透明视窗材料为聚甲基丙烯酸甲酯，孔板材料为氧化锆和氧化铝复合材料（复合材料的粒径和加入比例不作限制，可根据孔径需要进行调节）。面光源4参数为电压24 V，光强6500 K，21.5 mm。高速摄像机7参数为帧率1200 fps，像素1280 × 720 pixels2，光圈22，倾斜角度0°~12°。
实验步骤为：打开进气阀A，启动微量注射泵5，向组件3中通入CO2和N2的混合气体，其中CO2的初始体积分数为75%，N2的初始体积分数为25%。以1、1.25、1.5、1.75和2 m/s的孔口气速透过方形孔板1，此时再打开进液阀B，缓慢加入0.10 mol·L-1 NaOH碱液至液面高度为90 mm，待压力稳定后打开面光源4和高速摄像机7，调试参数，分别在气泡逸出孔孔口，距气泡逸出孔孔口垂直高度为50 mm、60 mm、70 mm、80 mm（以方形孔板1为水平面）以及液面6个定点处进行拍摄气泡演变视频，上传至数据采集系统6。获得高清气泡动态视频后，首先使用Matlab软件消除图片中的噪声，转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件拟合边界，计算气泡的体积和表面积。根据气泡内气体总守恒原理、理想气体方程和亨利定律计算体积传质系数，如图6所示。
实施例5，方形透明视窗2（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 100 mm 高）底部放置孔径为100 μm方形孔板1（50 mm 长 × 50 mm 宽 × 4 mm 厚），透明视窗材料为聚甲基丙烯酸甲酯，孔板材料为氧化铝、氧化硅和氧化锆复合材料（复合材料的粒径和加入比例不作限制，可根据孔径需要进行调节）。面光源4参数为电压24 V，光强6500 K，21.5 mm。高速摄像机7参数为帧率1200 fps，像素1280 × 720 pixels2，光圈22，倾斜角度0°~12°。
实验步骤为：打开进气阀A，启动微量注射泵5，向组件3中通入CO2和N2的混合气体，其中CO2的初始体积分数为75%，N2的初始体积分数为25%。以1、1.25、1.5、1.75和2 m/s的孔口气速透过方形孔板1，此时再打开进液阀B，缓慢加入0.10 mol·L-1 NaOH碱液至液面高度为90 mm，待压力稳定后打开面光源4和高速摄像机7，调试参数，分别在气泡逸出孔孔口，距气泡逸出孔孔口垂直高度为50 mm、60 mm、70 mm、80 mm（以方形孔板1为水平面）以及液面6个定点处进行拍摄气泡演变视频，上传至数据采集系统6。获得高清气泡动态视频后，首先使用Matlab软件消除图片中的噪声，转化为灰度图，再用ImageJ软件对灰度图进行边缘初步处理后，用Photoshop软件对边缘初步处理图进行精细处理，最后用Matlab软件拟合边界，计算气泡的体积和表面积。根据气泡内气体总守恒原理、理想气体方程和亨利定律计算体积传质系数，如图7所示。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。
Claims (10)
1.一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述装置包括方形孔板(1)、方形视窗(2)、组件(3)、面光源(4)、微量注射泵(5)、数据采集系统(6)、高速摄像机(7)、储液罐(8)、进气阀(A)、进液阀(B)；
所述方形孔板(1)与方形视窗(2)通过组件(3)组合并密封，顶部接所述进液阀(B)和储液罐(8)，储液罐(8)顶端开口；
所述微量注射泵(5)分别与所述进气阀(A)和组件(3)底部接气口连接；
所述高速摄像机(7)、组件(3)和面光源(4)依次架设在同一条光路上；
所述高速摄像机(7)与数据采集系统(6)电性连接。
2.根据权利要求1所述气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述方形孔板(1)的材料为不锈钢，方形孔板(1)上开设有单孔或有序排列的多孔，所述方形孔板与进气阀之间设置有气体缓冲室。
3.根据权利要求1所述气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述方形孔板(1)的材料为氧化硅、氧化铝、氧化锆、氧化钛中的任意一种或者两种及以上，孔径为毫米级至纳米级。
4.根据权利要求1所述气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述方形视窗(2)材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、铝硅酸盐玻璃中的任意一种。
5.根据权利要求1所述气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述高速摄像机(7)、组件(3)和面光源(4)分别用升降台固定在真蜂窝阻尼隔震光学平台上。
6.根据权利要求1所述气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置，其特征在于，所述微量注射泵(5)为单通道或多通道。
7.一种利用权利要求1-6任意一项所述装置原位测定气泡形成及脱离行为与气液传质性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：打开进气阀(A)，启动所述微量注射泵(5)，向组件(3)中通入气体(10)，气体(10)透过方形孔板(1)上的孔进入方形视窗(2)；
步骤二：打开进液阀(B)，在所述方形视窗(2)内加入溶液(9)；
步骤三：压力稳定后打开面光源(4)，调试高速摄像机(7)后在不同高度定点拍摄，获得小气泡(11)从孔口逸出至上升到液面的动态过程，上传至数据采集系统(6)；
步骤四：利用图片处理软件处理获得小气泡(11)形成与脱离阶段的行为变化以及体积变化量随传质时间的变化，继而根据气泡的气体总量守恒、理想气体方程和亨利定律计算传质系数。
8.根据权利要求7所述原位测定气泡形成及脱离行为与气液传质性能的方法，其特征在于，所述溶液(9)无色透明。
9.根据权利要求7所述原位测定气泡形成及脱离行为与气液传质性能的方法，其特征在于，所述气体(10)为单一气体或混合气体，所述气体不溶于溶液(9)。
10.根据权利要求7所述原位测定气泡形成及脱离行为与气液传质性能的方法，其特征在于，所述气体(10)为混合气体，所述混合气体中至少一种气体能被溶液(9)完全吸收，且至少一种气体不溶于溶液(9)。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911318054.1A CN113092480A (zh) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | 一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911318054.1A CN113092480A (zh) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | 一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113092480A true CN113092480A (zh) | 2021-07-09 |
Family
ID=76662746
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911318054.1A Pending CN113092480A (zh) | 2019-12-19 | 2019-12-19 | 一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113092480A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113533337A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-22 | 中国石油大学(华东) | 一种确定油藏泡沫渗流气泡生成与破灭速度的方法和装置 |
| CN115128214A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-09-30 | 江南大学 | 一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置和方法 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202599852U (zh) * | 2012-04-23 | 2012-12-12 | 长安大学 | 气液两相泡状流中气泡的识别及测量装置 |
| CN202710481U (zh) * | 2012-07-11 | 2013-01-30 | 长安大学 | 高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置 |
| CN105021231A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-04 | 中国矿业大学 | 一种浮选运动气泡特征观测实验装置及方法 |
-
2019
- 2019-12-19 CN CN201911318054.1A patent/CN113092480A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN202599852U (zh) * | 2012-04-23 | 2012-12-12 | 长安大学 | 气液两相泡状流中气泡的识别及测量装置 |
| CN202710481U (zh) * | 2012-07-11 | 2013-01-30 | 长安大学 | 高浓度分散相多相流中的气泡识别及测量装置 |
| CN105021231A (zh) * | 2015-07-31 | 2015-11-04 | 中国矿业大学 | 一种浮选运动气泡特征观测实验装置及方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| CLAUS FLEISCHER ET AL.: "Detailed modeling of the chemisorptions of CO2 into NaOH in a bubble column", 《CHEMICAL ENGINEERING SCIENCE》 * |
| PÉTER KOVÁTS ET AL.: "Investigation of mass transfer and hydrodynamics in a model bubble column", 《CHEMICAL ENGINEERING TECHNOLOGY》 * |
| 王红一等: "水中气泡图像处理方法及运动特性研究", 《中国博士学位论文全文数据库》 * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113533337A (zh) * | 2021-07-19 | 2021-10-22 | 中国石油大学(华东) | 一种确定油藏泡沫渗流气泡生成与破灭速度的方法和装置 |
| CN113533337B (zh) * | 2021-07-19 | 2023-11-03 | 中国石油大学(华东) | 一种确定油藏泡沫渗流气泡生成与破灭速度的方法和装置 |
| CN115128214A (zh) * | 2022-06-20 | 2022-09-30 | 江南大学 | 一种固碳过程中气泡运动与co2吸收率测量的装置和方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Yoshimura et al. | Enhancement of mass transfer into a falling laminar liquid film by two-dimensional surface waves—some experimental observations and modeling | |
| Calderbank et al. | Mechanics and mass transfer of single bubbles in free rise through some Newtonian and non-Newtonian liquids | |
| CN113092480A (zh) | 一种气泡形成及脱离行为与气液传质性能的原位测定装置和方法 | |
| US8151635B2 (en) | Methods and device for fast creation of fluid interfaces and use of this device for determination of liquid-liquid and liquid-gas interfacial properties | |
| Aubert et al. | The universal aspect ratio of vortices in rotating stratified flows: experiments and observations | |
| Pamperin et al. | Influence of buoyancy on bubble formation at submerged orifices | |
| Berk et al. | Transport of inertial particles in high-Reynolds-number turbulent boundary layers | |
| Zou et al. | VIM testing of a paired column semi submersible | |
| Puthenveettil et al. | Shape parameters of a floating bubble | |
| Aoki et al. | Mass transfer from single carbon dioxide bubbles in alcohol aqueous solutions in vertical pipes | |
| CN111665171A (zh) | 一种湿法接触角测量装置及其测试方法 | |
| CN109253948B (zh) | 一种悬滴法固体表面自由能测试装置及方法 | |
| Liju et al. | Surge effect during the water exit of an axisymmetric body traveling normal to a plane interface: experiments and BEM simulation | |
| Liu et al. | An investigation of particles effects on wall-normal velocity fluctuations in sand-laden atmospheric surface layer flows | |
| Abdulmouti et al. | Visualization and Measurements of Bubbly Two-Phase Flow Structure Using Particle Imaging Velocimetry (PIV) | |
| Løken et al. | Bringing optical fluid motion analysis to the field: a methodology using an open source ROV as a camera system and rising bubbles as tracers | |
| CN1219207C (zh) | 电解质脉冲法测量水流流速和泥沙含量的方法 | |
| Abdulmouti | The measurements of bubble plume structure parameter | |
| White | Particle transport by atmospheric winds on Venus: an experimental wind tunnel study | |
| CN107444570B (zh) | 船舶喷气减阻模型试验中的阻力分布测量机构 | |
| Schreier et al. | Experimental investigation of 3D sloshing effects in thin rectangular tanks | |
| Mohamed et al. | Isothermal dissolution of small rising bubbles in a low viscosity liquid | |
| CN109520910B (zh) | 考虑壁面效应的非球形颗粒曳力系数的测量装置及方法 | |
| Abdulmouti | Measurement of Bubbles Properties to Generated Efficient Surface Flow | |
| Pokusaev et al. | Immersion tomographic study of the motion of bubbles in a flooded granular bed |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210709 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |