气泡.docx

1、气泡、1 简介 气-液接触在化工、石化和矿物加工过程等行业中是一个常见但有及其重要的过程。在一般情况下，它主要通过两种形式实现：一种是液体以液体的形式自动进入气体中，另一种是向液体中鼓气。在吸收、蒸馏和泡沫浮选等实际应用程中，两相的接触发生是通过向液体池中鼓气来实现的，这些设备是基于流体动力学的各种参数而设计的。 在大部分设备中，有关横跨气-液两相界面的传输过程的知识对传质系数的估计是非常重要的，并且需要精确的估计离散项的体积、滞留时间和对混合程度的影响程度。除此之外，液相的物理化学性质（例如粘度、表面张力、密度等）和离散项的一些特征（例如气泡的体积和上升速度等）再加上系统的流动形态控制着流动

2、状态。 举例说明，对于表面张力比较小的液体，在发泡口直径不变的情况下，气泡的体积总是比较小的。为了不受液体产生的阻力的影响，它们尽可能保持球形状，这样可以在增加在系统里的运动时间。因为尺寸小，所以它们的上升速度慢，导致停留时间变大。在气泡塔反应器里气体流速比较低时，均匀态起主要作用；与此相反，如果是由液体引起的融合状态下的气流速度，即使与上面的速度相等，仍然出现过渡过程或者非均匀态，这与均匀态的流动状态完全不同。气泡直径或气泡直径的概率分布是帮助找到设计参数（例如有效地界面面积）的重要因素之一。气泡的平均尺寸在气泡的发生过程是一个有效参数，在某种程度上也影响的了气泡的融合、破碎过程，尽管这两种

3、是变化是由尾部涡流引起的。现在的讨论主要适用于这样的系统：气体是离散相，液相的体积分数比气相的体积分数大很多。这样的系统称之为湿泡沫的，在这系统中认为分离的气泡比也液相膜厚一点。在塔的气泡脱离阶段，能量耗散非常高，液体拖住气泡这样导致泡沫的产生。 在这个阶段，尽管气泡的体积分数明显大于液体的体积分数，气泡依然是离散相。例如气泡被限制住在液膜上，这种现象定义为泡沫。在大部分工业设备中，分离的气相是以气泡的形式存在的，在脱离区，气泡从液体中脱离，形成泡沫。在系统中，泡沫的程度与气泡的尺寸分布无关；尽管如此它是出现气泡和液体物理性质的双重影响。为了更好的理解气泡在系统流动中的应用，上述所说现象的知识

4、是必须掌握的。本课题研究量很大，在过去几年出版的了很多文献、专著、会议录和报道。鉴于此种情况，并且考虑到本课题大量资料的可利用性方面，这篇综述主要着眼于气泡形成的前两个现象和气泡的速度。气泡融合、破碎等课题的研究将单独整理。本文主要包括两部分，气泡在淹没孔口的形成过程和气泡上升的速度。其中在气泡的形成过程这部分，讨论了气泡在一系列条件下的形成过程，包括气-液系统物理化学性质的影响，孔口的分布，气泡在液体中形成的各种机理和模型，最近几年的有关研究，最后给出了一些未来的研究方向。 在第二部分详细讨论了气泡的上升速度，包括尺寸形状与上升速度之间的关系、系统细致对上升速度的影响、上升速度与阻力之间的各

5、种关联式。在这部分的最后，比较了不同种液体中的不同关联式，和通过实验验证的各个系统适用的对应的关联式。 我们认为这些实验和概括出来的关联式适用于设计使用。2 气泡在气-液系统的形成总的来说，粒子系统根据粒子呈现的状态分为气泡、液滴、固体粒子堆。这些气泡存在于气-液、气-固、气-液-固系统中。包含气泡的气-液系统是非常复杂，值得研究。为了简化气泡在液体池中的发生过程，我们必须把气泡发生过程理解为静态过程或准静态过程，然后跟着动态过程例如融合、破碎等过程。因为气泡的尺寸在形成后就已经确定，且他的尾迹决定了上升速度和上升方向。例如，气泡在液体中的迹线，甚至影响了上面所说的动态过程，系统的扰动，进而在

6、某种程度上了影响设备的性能。有关单个气泡和液滴的早期研究可以查看Tate、Bashforth和Adams的文献。在最近的几十年，出版了有关淹没孔口气泡形成的设计、操作参数的文献，代表人物有Dvaidson、Schuler、Tsuge、kumar及其团队 marmur 。这个课题是非常有趣、重要并且在未来几十年都值得重视。大部分的研究可以根据气相的操作参数简单分类。例如稳流、稳压、中间态等等。在六十年代后期，kumar研究气泡在不同条件的形成机理，并且如实综述了前期的研究成果，特别是测量气泡直径的试验方法。随后Tsuge对气泡在淹没孔口形成的流动特性进行了综述，提出了几个气泡形成机理的模型。与此

7、同时，Rabiger和Vogelpohl简单研究了影响气泡形成的各种因素。因为气-液系统的多样性、管嘴类型、工况参数（系统压力、气泡速度）的不同，许多研究的结果不尽一致。这就需要比较各家的方法、观察结果和推论，并提出这一领域未来的研究方向。除此之外，用数值方法分析气泡在各个阶段的增长和用实验方法观察各个力对气泡形成作用 这两种方法方面的论文值得注意研究。有鉴于此，我们重新梳理了一遍，气泡形成的几种给定模型，详细讨论了系统性质对各个增长项的影响作用。这部分文献的结构如下：首先讨论了牛顿流体和非牛顿流体中气泡在单个淹没孔口的形成，并且给出了几个模型的数量关系以及他们对周围液项的影响。各种控制参数对

8、的影响。第二部分讨论各种观察资料。第三部分通过力平衡分析现象讨论适合这些气泡形成的过程。然后给出了各种实验数据和各个关联式的预测的比较。第四部分综述了气泡形成的多相点和一些先的主观例子。 最后简单讨论了分析气泡形成的实验方法技巧。在下面所述的各个参数都是在（1）牛顿流体，除非特别指明（2）底部淹没孔口，除非特别指明其他方式这两种情况来讨论的。2.1 在单个淹没孔口工况下的气泡形成这种现象存在许多模型中，例如鼓泡；连续鼓泡和和射流 它们都取决于孔口的位置分布、气流的速度、气-液系统的性质和作用在系统上重力的维数。众所周知 在给定的系装置中，气泡的形成与气体的速度和液体的深度有很大关系。 Mull

9、er和prince制作了一个有关的图 对于液体深度大于100mm的低速流体，气泡是单个产生的，当气流速度达到某个值时，气泡由单个长生就变成了连续产生。在这种情况下，气泡的尺寸主要有孔口的直径、表面张力和两种液体的密度差决定的。在中间态和连续气泡产生的状态下，气泡的直径都比上种状态的大，气泡的产生是周期性的并且产生的速率正比气流速率。 当气流速率变得更大时，气相在管口附近形成一小段的连续的气流，气泡形成的速率不变，并且其尺寸随气流速率的变大而变大。在射流状况下，气泡因为射流的不稳定性断裂为形成气泡。与此有关的经典的动态流态的气泡可分别从Tritton、egdell、kulkarni查到。有关四种

10、形态的图片在无粘性流体中、单个离散气泡形成的阶段，作用在气泡上的力主要有浮力（buoyancy）、阻力（drag）、表面张力（surface tension）和重力（gravity）。气泡的形成和脱离只产生了一个局部涡量，并且只有在气泡连续生成的阶段，气泡的连续性会在气泡移动的方向产生一个驱动力，在气泡迹线的附近，液体会有一个向上的速度导致一个微弱的循环流动，这个循环流动正比于气泡的尺寸。在射流阶段，射流的强速上升会在沿其上升方向附近的形成一个更强的循环 远离射流方向形成一个向下的流动。尽管如此，在一个不确定的，向下的速度分布的横截面积更大。需要注意到的是，气泡产生的形态受液体（牛顿和非牛顿）

11、的性质影响非常大。在这里，气泡的液体深度代表静压头，同时气泡的形成机理同样由孔口的分布决定。下面我们将讨论影响各种参数对气泡尺寸的影响2.1.1. 影响气泡形成的因素气泡的形成受到许多工况参数的影响，例如气流通过管口的速度、参数的状态、液体的流动状态、系统性质（管嘴的尺寸和其腔体的体积大小）、物理化学性质例如液体的粘度、密度和种类（极性或非极性）。这些决定了气泡的形成状态和尺寸大小。对移动的气泡而言主要受到重力、浮力、阻力、粘滞力和上举力。在许多例子中，气-液系统的性质、小孔的尺寸、和结构的材料Dimension尺寸magnitude 大小决定这些力。 通过小孔的气流速率和小孔的尺寸决定了气泡

12、的形成频率和脱离时间，同样小孔的腔体决定了气泡的背压和和气泡的尺寸。 在这篇文献中，考虑到其他参数的影响，气流速率的影响没有刻意讨论。为了了解这一课题最近的研究表一式是按时间顺序的发展研究列出来。2.1.1.1液体性质的影响a、液体的粘度随着液体粘度的不断变化，作用于气泡上粘力的大小在形成阶段也不断的变化。在脱离之前会形成一个稳定的气泡直径。 很多人在这方面做了许多实验并提出了相应的实验结果 在图表二中列出可以让我们从细处分析。在这方面的研究结果是自相矛盾、不一致的。（i）气泡的尺寸会随液体的粘度而增长（ii）气泡与液体的粘度无关（iii）液体的粘度对气泡的尺寸有微弱的影响。siemes和ka

13、ufmann的研究结果则与此完全不同，他们认为：对于低粘度的液体，气泡的尺寸与液体的粘度无关；对于粘度比较大的液体，液体粘度的增大会导致气泡尺寸的变大，但是变化非常小。从图2和图5A可以明显的看到粘度影响了气泡的尺寸，尽管对大直径和速度大的气体速率。 从jamialahmadi的认真分析中，气泡的尺寸与液体的粘度成u0.66的关系。 B、液体的表面张力 气泡在小孔形成时，对于逐渐增长的气泡而言，它的下表面被液体向后拉，在气泡的前半部，表面被伸展、新的表面不断形成。 在接近孔口的部分，气泡的表面受到挤压和液体被推向小孔的边缘。那么结果就是；作用在气泡上的表面力增长，但是脱离了表面张力线性增长的状

14、态。这样导致气泡停留在小孔的边缘，延迟了脱离过程的发生。有两种表面张力作用在气泡上，动态的和静态的。 在初始增长阶段，表面张力随着与孔的接触角的变化而连续变化 在随后的阶段，接触角不在变化表面张力也稳定不变，因此 表面张力决定了气泡的生成时间。 尽管表面张力非常小，但是气流通过小孔时它们的变化非常明显。这些力产生突然的变化造成背压减小，在毛细管端口形成一个气泡。上述原因可以理解为：不断变化的表面效应阻止了气泡表面的产生造成液膜的在气泡和小孔子之间的分离、快速。进而产生好的气泡在另外一个与此完全相反的观察结果中，davidson和schuler表面张力影响了气泡生成时的绝对合压力的最小值。对小直

15、径的孔口，表面张力的影响可在气流速度较高的时候可以忽略不计。因此当气流稳定时 表面张力就失去它的作用。对于在稳压状态下形成的气泡，表面张力对其有一个显著的影响，通过对气泡内压力的影响在某种程度上控制气流进入气泡的流量。表面张力随着孔口直径的增加而增加，因此管径影响了气泡的接触时间。Fig2和fig3在这一方面给了一些有关实验结果的方法结论。 Liow认为表面张力、管径的大小及其厚度共同决定了气泡的脱离时间和尺寸。Hsu研究了当有表面活性剂的情况下的机理，并且考虑了临时的变化的表面张力。上述研究表明就气泡的两端的极性浓度有待研究。有趣的是，表面张力对干净的气泡和有活性剂的气泡的的作用是完全不同的

16、，需要就气泡在成长、脱离阶段表面的几个方面的涡量的变化进行分析。C 液体密度为了保持稳定，气泡要保持球状，这样可以早点脱离。我们知道在气泡的形成阶段，它的能量与静压头相等，例如液体密度。密度的影响可以从两个方面来观察)（i）气泡体积会随液体密度的增加而减小（i）液体密度对其没有影响。静压头的增加会导致第一种情况发生，与此相反第二种现象只有当液体压强非常小的时候出现。 Khurana 和kumar观察到（i）当气流速率和粘度比较小时，出现第一种现象（ii）当气流大、粘度小时，对小孔口而言会出现第二种情况（iii）孔口直径和粘度比较小时 第二种情况出现。2.1.1.2 气体密度的影响随着压强的增加

17、或者使用高分子气体，气相的密度也会增加。结果会使两相的密度差变小，进而引起比较小的气泡 浮力变小。就附加质量力而言气相密度会引起人们的注意。 但是他的影响系数是不显著，从影响单个气泡的总流体密度对密度比较小、速率也比较小的气泡 表面张力起主导作用，脱离过程滞后。这个结论不适用小孔口的情况 ，因为对脱离的发生而言阻力是最起作用的力，相比较而言表面张力可忽略不计。Idogawa（空气、氢气和氦气）wilkin（氦气、氮气氩气二氧化碳）研究了气体密度对气泡体积的影响。他们认为：对大孔径而言，脱离过程在气泡密度较大时比较迅速，（大小判断的标准是什么）对与小孔径而言气体的密度对脱离过程没有影响。 他同时

18、指出：对轻体比较大的孔，气体密度的增加会导致其动量的增加，是孔口的压力降变大，气泡创设饿速率变大 最终导致小气泡的产生。Fig4这些观察结果的数量关系。通过改变系统的温度或者增加液体和气体的相对分子量差额也可以实现上述情况。2.1.1.3 孔口位置的分布在液体池中产生气泡是非常容易的， 通过向毛细管、小管、隔膜和薄膜，细胞膜的刺孔注射气体均可以实现。淹没孔口、孔板的腔体、孔径、孔的类型、材料等等都是气泡形成过程中的与孔有关的重要参数。我们简单讨论他们的相关性并比较一下他们如何实现最优配置以达到所需的气泡。A、 孔的构造和类型 气体入口的设计可以有很多种。最常见的是圆柱形-纵向行管嘴。在边缘经过

19、锐化的小孔这样的case中，管孔流线先从底部收敛到一个最小截面然后再开始扩张 然后再分散。这种类型的管孔再向上游的方向有一个正方形的横截面积。圆形管孔的上部边缘在孔的喉部被制作成最小。在边缘锐化的管孔下游压力减小，而上游压力保持稳定， 。 对于又长又细的毛细管这种情况，其内部有很大的流动阻力产生压力梯度阻碍气泡在气腔内的形成。 腔体的体积对气泡的形成没有什么影响。气泡的体积与管径成函数关系 这就是tate定律。Leibson认为厚板孔的情况与边缘锐化的管孔一样。B、 管径通过管孔的流量与它的横截面积、气泡的增长程度成比例。例如当表面张力随着孔的边缘不断变化时，它的体积主要依靠内径，一般假定它的

20、变化与表面张力的距离成O(h)关系，根据气流量，气泡的体积一直增大知道脱离阶段。通常认为小管孔的直径作用影响不大，对大管径而言气泡会随气流量的增大而增大。在最小的管孔直径情况下韦伯数的倒数等于那个角的正弦值（） 外部的管径同样决定了气泡体积有可能达到的最大值，当气泡的接触角随着厚度改变时，影响脱离时间的周期和气泡的尺寸。 Fig5 展示了在稳流稳压的情况下管径对气泡尺寸的影响的实验观察结果。在PAA溶液里,当流量QG2e(-6)m3/s管径对气泡的体积有一个微弱的影响，而当流量大于这个值时，作用就非常强。对于小管径而言，接触力非常大，并且接触角一直变化。流量小时涡量也小等待的时间就长，反之流量

21、大时脱离的发生就非常快。C、 管孔的腔体体积气泡的形成主要取决于气体的流量 因此就对管孔的腔体有要求 对于小的腔体 流入腔体的体积差不多正好是进入气泡的体积 这一般针对于稳流情况而言。另一方面对大腔体而言，因为缓冲压力的波动，进入气泡的气体不一定正好等于进入腔体的体积。尽管如此，这种在本质上是动态的压力通过腔体以各种方式来影响气泡的生成。Saty】观察了气流量一定时气泡的体积随腔体的增加而增加。 尽管如此在淹没比较浅时，这种作用还是比较明显的，D孔的淹没方式三种方式：顶部淹没、底部淹没、横淹没 如fig6所示在底部淹没方式里，当气流通过管孔时，粘力、表面张力、压力、重力、惯性力与浮力是互相平衡

22、的。 Kumar认为气泡的体积随着淹没的程度是以指数级别的方式减小，对比较大的腔体而言，减小的速率是非常大的在稳压稳流的情况下，淹没方式对气泡的体积是没有影响的。 对顶端淹没方式，形成气泡的初始压力要高，3气泡上升速度当气泡从管孔脱离后，浮力促使其上升。这个动态变化过程主要是因为气泡特征数的变化或者系统的变化引起的。这现象非常简单并且在许多行业里可以观察到。气泡上升是流体通过淹没物体一个最经典的例子。在有滑移和无滑移的边界条件下 展现了完全不同的特性。气泡的上升速度（一般是指静止流体中的末端速度和移动流体中的滑移速度）是一个非常重要的参数，它决定了气相的滞留时间和界面运输的接触时间，进而对设备

23、的性能产生影响。 在浮选设备中，气泡的上升速度决定了作业时间。为了提高设备的性能，气泡的尺寸和上升速度是非常重要的控制参数。我们研究这种现象已经好几十年了。在早期 假定气泡周围的流体是没有粘度的、边界上没有滑移 简化了真实流体的复杂性。在真实流体中，气泡存在滑移、粘性力和惯性力的存在是分析变得非常复杂和相应的知识非常少。 气泡的运动状态可以粗略的范围分为strokes状态 、hadamard状态、levich状态、taylor状态，这些状态都有具体的条件，对于它们的尺寸、形状、界面的本质（自由或粗糙）。这些现象非常吸引人 当气泡的特征数比如尺寸、直径、轨迹等随着系统的变化而出现不同的运动特性时

24、。但是这样就很难对其达到了一个完整的了解、得出一个适用于所有系统不同形态的速度关联式。很多人研究这个课题 大部分人是根据力平衡的方法来尝试。主要的力有重力、浮力、阻力、表面张力、粘力、质量附加力、histroy force lift force在不同的情况下 各个力的作用也不一样。前期的研究一般 在在本文献中主要着眼于气泡的上升和各种参数对上升速度的影响。许多人在这方面做了大量的工作，并且给出了几个使用具体条件的关联式。前人的研究可以根据流体的性质（牛顿流体、非牛顿流体、水溶剂、有机物等）来简单分类。只有近期nguyen在各种系统中总结出来的关联式使用范围才广泛一些，但是依然有很多变化的系统需

25、要研究。鉴于此，我们主要总结了已出版的有关文献，对比了适用于现存数据的关联式。除此之外，对比了所有的观察结果确定了每个结果可能产生的原因。重要实验观察结果的意义也详细讨论 了一下。本段的结构安排3.1影响气泡上升速度的因素印象因素有：气泡的特征数（尺寸和形状）、系统的性质（密度、粘度、表面张力、溶质的浓度、气体与液体的密度差）液体的流动（方向）做业参数（温度、压强、重力加速度）3.1.1 液体的纯净度（表面张力）的影响如上所述，气泡的运动状态说明了各个参数对上升速度的影响 随着液体物理化学性质的改变，系统的状态是可以控制的。在牛顿无粘性流体中，上升速度依赖于气泡的尺寸、温度、压力、杂志的多少。

26、粘性力的作用非常小，主要是重力、浮力、阻力在起作用。Fig11给出了这类系统的典型结果。 在纯净液体的环境条件下 尺寸与速度的合成图， 速度随着气泡尺寸的增长达到一个峰值，然后开始下降 再往后则与气泡的尺寸几乎成正比关系。根据杂杂质物的类型，例如表面活性剂、电解质、及浓度的不同，气泡的速度的特征数也截然不同。在电解质溶液中力的情况和包含表面活性剂的情况一样；额外的电子力会排斥他们，引起在气流速度低的时候会长生小气泡。表面活性剂会改变液-液界面附近的速度场这一机理最早被furmkin&levich发现，他们认为表面活性剂会在沿着气泡表面平行运动并在气泡的后部积累。因表面活性剂浓度差引起的表面张力

27、的梯度必须有要一个横跨界面的剪切力来平衡。（marangoni 效应）这就暗含着剪切力自由的边界条件将不适用于气-液界面，这就众所周知停滞状假说。并且已经成功应用于气泡上升速度的估计和有表面活性剂的阻力系数的预测。尽管表面活性剂对气泡的影响已经知道了，但是许多细节的东西还是非常少。因为气泡的尺寸和特征是工业中多相系统一个重要的指标，在实际中工业液体并非纯净的（实验室的研究很重要）。表面活性剂影响气泡表面进而引起以不同的方式改变特征数 在牛顿流体和非牛顿流体中。在牛顿非纯净的流体中，如果是促使表面活性的杂质时，气泡直径和表面是随着液体的方向向后拖拽，表面活性剂，特别是那种通过移动气泡可以润换固体

28、粗糙界面和干净气泡表面进而影响速度场的表面活性剂。在气泡的前部，表面被延展并且新的表面不断产生。于是表面张力梯度产生了，导致阻力的增加和气-液界面移动的减少。进而，减少了内部循环增加了其他气泡的融合的趋势。由于粗糙界面的产生和阻力的增加的结果，气泡的上升速度比同尺寸干净气泡的速度小。对于液体，临界直径会随着表面活性剂浓度的增加而增加。尽管如此，这个作用还是很大程度上依靠表面活性剂的可溶性。Kopf-sill和homsey曾用hele-shaw细胞分析表面活性剂的作用，使用毛细数和班德数确定了六种不同的形状。De kee 的研究表明在那些特殊溶液里表面张力的减小会导致没有连续性小气泡上升速度的减

29、小。 在其他的研究中，rodrigue研究了气泡在包含不纯静物的牛顿流体（三种不同浓度）和非牛顿流体（见文献）中的上升速度。研究表明随着表面活性剂浓度的增加气泡上升速度先减小，当达到临界体积时，气泡的速度不再受表面活性剂浓度的影响。临界体积是系统溶剂组分的函数，临界体积的半径关联式 (bond和牛顿)上升速度的减少跟表面张力的减小有关，还有液体粘度大的话，会导致界面移动的减小进而影响上升速度。观察表明：表面活性剂的只对相对大的气泡体积的影响显著（超出stokes流态）。对于大的气泡，移动速度快，尽管与液体的接触面积大，表面活性剂的影响可忽略。对于非牛顿流体，表面张力对气泡上速度的影响与前面对应

30、的一样。尽管如此，对于粘弹性流体则完全不一样。在粘弹性流体中例如PAA 气泡的速度有一个跳跃。表面张力的起着非常重要的作用，当粗糙界面转化为弹性界面产生的跳跃时。界面的粗糙在某种程度上由表面张力决定。好几位研究员研究了这种现象并且给出了他们观察结果可能的解释。其中的一个表面张力模型是由zana 和leal气泡只有在下述条件下存在：表面要不被活性剂完全覆盖 ，要不完全没有，并且弹性力起着很大作用。但是液体的粘性也起着同等重要的作用，需要进一步分析。 其余有关此现象模型的分析会逐步详细讲到。对于幂次方的非牛顿流体，tzounakos通过分析阻力曲线研究了SDS表面活性剂的影响。 气泡在小剪切力的流

31、体中的移动可以根据两个基本方程解释。表面不移动的无弹性气泡，表面移动的无弹性气泡，当体积较大时，其形状会变形因此关联式用其中m是连续性系数。然而，对于阻力曲线和溶液的附加这两个而存在差别。 对与给定的浓度不变的溶液，随着气泡体积的增加，阻力曲线从74a到74b时有一个光滑的过渡。详细情况随后叙述。 近来，精细控制杂质的定量实验可以使气泡上升速度的时间演变与物理化学性质、活性剂的浓度关联起来。 通过观察气泡气泡溶解几种活性剂的溶液中上升的实验，得出了在临界浓度之下，活性剂对最终速度是没什么影响的。反而气泡的上升速度突降到一个与在临界大浓度固体球面对应的值 这个值与活性剂的性质和气泡直径有关。同样指明高浓度的活性剂把气泡覆盖了。最近ybert做了一个系统性的实验把表面带有活性剂的气泡发射出去，测量的上升速度是发射距离的函数。意味着气泡在初始加速后，瞬时速度取决于依附在气泡表面上的活性剂总量。这说明活性剂不仅能被气泡表面吸收，也可以被释放出去，这样可以造成因界面移动导致气泡移动的速度的上升，最终达到活