气泡生成力学机理及气泡发生器装置研究

姚慧星

无锡菲怡雅环保科技有限公司  214192

摘要：粒径小于1mm的气泡因其在液相中上浮缓慢、比表面积大、传质效果好等优点，在精细化工、环境保护等领域表现出良好的应用前景。石化加氢由于具有高温、高压、含杂质和易结焦等特性，在石化工业中广泛应用，与其它类型的微泡制备方法比较，锐孔分散微泡对气体的生产有很好的适应性。拟通过对均匀尖锐孔内气体不断溢流的全过程进行研究，结合力学平衡关系，获得影响汽泡大小的主要因素及权重，研制适用于加氢工业的微汽泡发生器。研究表明，在不同的结构及操作条件下，细孔径及膜表面浸润性对气泡生成有显著影响，而锐孔均匀性则会影响气泡流动中的气泡分布。

关键词：气泡；形成机理；气泡发生器

引言

微分散法和锐孔扩散两种方法，其根本差别是在孔道中生成，还是在孔壁上生成。锐孔通常为有机薄膜、无机薄膜及金属薄膜，其中，有机薄膜与无机薄膜之间的锐孔尺寸可达0.5μｍ，而我国目前已知的金属薄膜的锐孔最小只有0.5μｍ，国内虽然也有0.2μｍ的报道，但其均匀度很难得到保障。为确保气泡生成的均匀性，需要对金属薄膜管进行严格的筛选，以防止其表面出现坏点，坏点在服役期间会逐步增大，而在背压不足的部位则会发生堵塞，这两种因素结合在一起，使微气泡发生装置失效。尽管金属薄膜的锋利孔洞不可能实现纳米级，但考虑到氢气行业属于高温高压、易燃易爆的行业，同时又有应急泄压等不稳定条件，因此，考虑到工业生产中的实际情况，使用金属薄膜具有更好的焊接性能和更高的可靠性。

一、气泡发生器的分类

汽泡发生器按其产生机理及作用方式可分为各种形式。普通的汽泡生成器包括如下：1.化学反应型气泡发生器：像醋和小苏打这样的化学反应生成的气体。2.机械型气泡发生器：汽泡是由机械装置制造的，例如超声汽泡产生器和电解汽泡产生器。3.热力学型气泡发生器：由于温度的改变而产生汽泡，例如在热水中的汽泡产生器。4.压力变化型气泡发生器：通过变化的压力来制造汽泡，例如通过喷嘴的压缩空气来制造汽泡。

二、LYHC气泡发生器工作原理

金属薄膜管道由基础与薄膜表面构成，为确保薄膜表面产气量均匀，需对其进行表面处理，经过多轮比较，已形成一套以表面质量为基础的膜表面处理技术。

在密闭的金属膜管中，通入的是一种比液态更高的高压气体，并且，随着充气量的增加，金属膜管中的气压会越来越高，气体会先从金属膜层上的最大孔中进入，然后再由其他的孔中依次进入。在液膜表面，受表面粗糙度、表面张力、气泡浮力以及气-液惯性力等多个因素的共同影响，导致气泡在液膜表面生成，以及在管道中受高速水流的剪切作用，脱离液膜表面，形成气液两相流动。利用管内、外压差及管内流体的剪切力，实现了对气泡尺寸及数量的控制。在此基础上，我们研制出了一种新型的汽泡发生器，其汽泡直径在100-800μｍ之间，在特种流体中，气-液比可大于30倍，并且汽泡粒径分布较为均匀。

三、气泡形成机理研究

金属薄膜管锐孔的直径为dh，通过该锐孔的气体在液体中产生汽泡，该尖锐的孔径会产生汽泡。在图1中显示了气泡的产生过程。

图1 气泡形成示意图

汽泡的生成分为膨胀期和脱离期。汽泡扩展时，汽泡呈放射状增长，但汽泡的底端仍然与锐孔相接触；在脱附过程中，部分气体仍然存在，脱附作用力增加，汽泡底部向上移动，形成滞留连通段，并逐步破坏，破裂部位受到多种因素的影响。

气泡膨胀时，气泡的解吸压力可以划分为两个阶段：汽泡所承受的浮力 Fb和汽泡的直径成比例；Fm为穿过一个尖锐孔洞的高压气体所受的惯性力。

汽泡在膨胀过程中所受的粘附力由三个部分组成：气泡受到的摩擦力 Fd、附加力 Fσ以及汽泡的惯性力 F。Fd表示气泡生长或运动受流体作用；Fσ是由于表面张力而产生的，而 Fi是由于汽泡的膨胀而产生的。在图2中显示了气泡所受的主要作用力。

图2 气泡受力示意图

在 Fb+ Fm< Fd+ Fσ+ Fi的情况下，气泡不断地扩展，并且随着时间的推移而增长。在 Fb+ Fm= Fd+ Fσ+ Fi的情况下，气泡在一个临界条件下，由于外界环境的干扰，气泡将从液体膜中分离出来，使得汽泡的粒径最小。在 Fb+ Fm> Fd+ Fσ+ Fi时，滞留区会不断长大，这取决于流体的性质和流动条件，在某一点上，随流动条件的变化而破裂，有一部分的气体进入气泡，气泡的直径比最小的时候略微增加，另外的气泡又回到第二汽泡中。

图3是不同液体中的气泡的进气量与平均直径的关系。如图4所示，气泡大小随空气流速的增加而增加；液体3中的汽泡更容易脱离膜管，生成更小的汽泡，对汽泡之间的聚合起到了抑制作用。

图3 气泡平均直径和进气量的关系

图4是一张曲线图，显示了平均汽泡的直径和锐孔的平均直径。锐孔的平均直径越小，气泡的大小就越小，尤其是在较高的表面张力下，微孔尺寸对气泡尺寸的影响较大。

图4气泡平均直径和锐孔平均直径的关系

由于气泡粒径小、刚性强，通常粒径在800μｍ以下，彼此难以融合，多个空泡顺流形成汽泡流。由气泡力学平衡方程可知，有许多因素对气泡大小有影响，通过经典的计算公式和冷模实验，对气泡大小的影响进行详细的研究。

液体2的表面张力适中，能与常规的气泡并存，且有气泡融合现象；由于液体3的表面张力很低，因此，在膜表面上不容易产生气泡，而形成的汽泡的直径略大于微孔的直径。这时，气泡体积较小，相互独立，几乎没有聚合，表现为乳化性。

四、气泡发生器的应用

气泡发生装置的用途很广，以下是一些常用的用途。

（一）实验室应用

在化工试验中，经常使用气泡发生装置，产生二氧化碳和氧气等气体。该装置可在实验室进行气体收集，反应观测等方面使用。

（二）工业应用

同时，气泡发生技术也在工业上得到了广泛的应用。比如，在医药行业，在药品发酵期间，可以使用气泡发生器来制造二氧化碳。在食品行业，可以使用气泡机来制造起泡的酵母。

（三）日常生活应用

气泡发生装置也可用于人们的日常生活。比如，在游泳池里，可以使用气泡发生器来制造泡沫，提高水中氧气的浓度，从而提高水质。另外，气泡发生装置也能用来制造吹泡水，让小朋友玩得更开心。

五、气泡发生器的发展趋势

气泡生成技术是伴随着科学技术的不断发展而发展起来的。在今后的发展中，气泡发生器将会以更高的效率、更小的体积以及更广阔的应用前景。比如，通过改进气泡发生装置的结构、材质等，可以使气泡产生的速率和数目大大增加。另外，还可以把气泡发生装置与其它装置相组合，使之具有更多的功能。

总结

气泡发生器是一种能够产生气泡的设备，其工作原理和适用范围非常广泛。根据气泡发生机理的不同，可分为化学反应型、机械型、热力学型及压力可变型。气泡发生装置已被广泛地应用于实验室、工业生产和人们的日常生活中。随著科学技术的发展，气泡发生装置也在不断地进行革新与完善，其性能将会越来越好，其应用范围也会越来越广。

参考文献

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