鼓泡

低能耗的强化传质和传热过程的操作

鼓泡是一种低能耗的强化传质和传热过程的操作，广泛应用于化工及环保等诸多领域。鼓泡操作具有设备简单、操作条件易控制、清洗更换便捷、可实现自动化等优点，与其他晒盐方法相比更容易实现。

简介

海水淡化技术作为一种解决淡水资源匮乏的有效手段已被广泛运用于沿海及海岛地区。海水淡化后会副产大量的浓海水，其中含有丰富的镁、钾、溴、锂等矿物元素。浓海水的直接排放不仅对海洋环境产生一定的影响，同时还会浪费大量宝贵资源。浓海水浓缩晒盐是提取海洋资源最直接的方式，并且能减轻直接排放对环境的不良影响。海水制盐按原理可分为电渗析法和滩晒法制盐。海水滩晒制盐工艺成熟、操作简单、运行成本低，但是其存在土地利用率低，受天气影响大，盐农劳作辛苦而利润微薄等缺点。强化浓海水蒸发过程，不仅能够增加产盐量，而且还能增强对气候影响的抵抗力。目前有多种技术正在研究中，包括降膜蒸发法、太阳能烟囱法、超声波法、卤虫法、碳纳米管法。但上述方法都有很大的局限性。

鼓泡是一种低能耗的强化传质和传热过程的操作，广泛应用于化工及环保等诸多领域。鼓泡操作具有设备简单、操作条件易控制、清洗更换便捷、可实现自动化等优点，与其他晒盐方法相比更容易实现。陶亨聪等在舟山六横岛对浓海水鼓泡晒盐进行了尝试（图1），发现鼓泡法的日海水蒸发量是传统晒盐日蒸发量的1.5～2.25倍。并且，浓海水鼓泡蒸发需要选择适宜的气候条件，日照强度越高，环境湿度越低，蒸发速率越快。通常每天12点至15点这段时间最适宜鼓泡晒盐，在其他时段鼓泡晒盐效果不佳。120m2的浓海水鼓泡晒盐实验池中每小时最多可蒸发掉240kg水，比传统晒盐对照池的蒸发水量多出约120kg。

鼓泡效率影响因素

浓海水浅滩鼓泡过程是气泡从生成到破裂的过程，按运动状态可划分为3个阶段：气泡上升、气泡漂浮以及气泡破裂。在上升阶段，气泡不仅带走一部分的水蒸气，还影响气泡群在液面上的漂浮和分布。在漂浮阶段，气泡群的漂移不仅增大气液接触面积，还会引发气泡聚并和破裂。在破裂阶段，小液滴数量对蒸发过程有显著影响。事实上，在传统鼓泡设备中，气泡尺寸是决定水流与气泡之间的各种相间作用力大小的关键参数，实验研究表明不同的气泡尺寸会产生诸如气含率分布、湍动结构等方面的差异。此外，气泡的直径会对破裂后产生的液滴数量产生影响。

为此，对上述过程及影响因素进行了比较全面的研究，并且优化了液位、鼓泡口间距、单孔气量等操作条件。文中将直径大于5mm的气泡称为大气泡，直径小于5mm的称为小气泡。此外，本文使用自制的鼓泡发生器，该发生器结构类似于烧结板，但是单个发生器中出气口个数无法确定，故文中表述使用气量而非表观气速。

1、漂浮气泡群分布的影响因素

鼓出的气泡在液面漂浮时呈半球状，其气液传质面积是所覆盖面积的2倍。由此可知，鼓泡池表面漂浮的气泡所增加的蒸发面积是提高浓海水蒸发量的主要影响因素之一。然而，不仅气泡的尺寸会影响蒸发面积，鼓泡口深度、相邻两鼓泡口的干扰以及鼓泡阵列中的气体分布同样会显著影响气泡在液面的覆盖面积。

（1）单鼓泡群分布规律

实验发现，大气泡是单个依次垂直上浮至液面后散开，而多个同时鼓出的小气泡在上浮阶段就呈菊花状散开，因此在小气泡发生器正上方液面无小气泡分布。

大气泡与小气泡在其他操作条件相同情况下均随着气量的提高，气泡群在液面的覆盖面积增加。同时可知，深度变化对覆盖面积的影响比气量变化更为显著。当气量相同时，大气泡与小气泡群的覆盖面积均随着鼓泡口深度的上升而增加，然而当大气泡的鼓泡口深度大于12cm和小气泡的鼓泡口深度大于8cm后覆盖面积增幅趋缓。但是在相近的覆盖面积下大气泡所需的鼓气量几乎是小气泡的5倍，所以从鼓气量的角度考虑小气泡更适合鼓泡过程。由于小气泡在液位高于8cm后小气泡之间由聚并状态开始发散，因此将小气泡鼓泡池深度选在8cm最为合适。

（2）相邻气泡群分布规律

两相邻鼓泡口所鼓出的气泡相互之间作用会影响气泡的流动与破裂，从而会影响气泡在液面的覆盖率。本文将两个自制小气泡发生器均设置于深度为8cm处，在0.8L·min-1气量下调节鼓泡口间距，以及将鼓泡口设置于深度为12cm处，在4L·min-1气量下调节鼓泡口间距，考察孔间距对气泡覆盖面积的影响，在间距为2cm时由于两鼓泡口所鼓出的气泡群相互影响，两气泡群间发生聚并现象，气泡群覆盖面积处于最低值。大气泡与小气泡均随着鼓泡口间距的扩大，其覆盖面积增大。大气泡当孔间距扩大到14cm处后，两鼓泡口所鼓出的气泡群相互独立，气泡群间的聚并现象不再发生，之后随着间距的扩大，气泡覆盖面积不再增加。而小气泡相邻两孔间距扩大至12cm处后，气泡的覆盖面积不再随着间距的扩大而增加。综上可知，大气泡双孔鼓泡在4L·min-1气量下，孔间距设置为14cm为宜；小气泡双鼓泡口在0.8L·min-1气量下，孔间距设置为12cm最适宜。

3、鼓泡阵列中气泡群分布规律

当鼓泡口深度保持8cm，鼓泡口间距为12cm时，考察了大气泡和小气泡分布在平均孔气量为0.1、0.4、1、2 L·min-1时气泡的覆盖情况。当平均鼓泡口气量在0.4L·min-1时，大气泡群的覆盖率仅有0%～60%，气泡群之间有很大的空隙。相比较而言，小气泡除鼓泡口上方没被覆盖外，其他区域均被完全覆盖，覆盖率可达80%～90%，且气泡之间排列密实并存在堆积现象。当气量升至1L·min-1之后，气泡的聚并与更新速率加快，液面的波动更加剧烈，大气泡的覆盖率降低至30%～40%，小气泡的直径变大，覆盖率降低至不足80%。当气量降至0.1 L·min-1时，气泡的聚并和更新速率降低，液面的波动减缓，大气泡群覆盖率降低至20%～30%，小气泡群的覆盖率降低至不足70%。从增大盐田液面覆盖率的角度出发，小气泡群更适合于鼓泡过程，且气量在0.4L·min-1时最为合适。

2、液滴的溅射

鼓泡晒盐期间，在鼓泡池液面上高度不足40cm的下方，从特定的角度观察到了彩虹现象。该现象表明气泡在破碎过程中迸射出大量的微小液滴。实验期间测量盐池上方的风速基本保持在3～4级，通过计算盐池当中液位的降低与波美度升高数据，说明迸射出的小液滴基本没有被风刮走。气泡迸射出大量的小液滴，使表面蒸发变为立体蒸发。

通过对六横岛的实验数据进行估算，认为鼓气量对蒸发量的贡献率不足10%，气泡漂浮对蒸发量的贡献约50%，推测剩余约40%包含了液滴溅射的贡献率。

（1）液滴的溅射现象

图2为气体流量控制在2L·min-1，1mm单鼓泡口鼓出的气泡群漂浮在液面泡破裂后，所溅射出的小液滴的图像。

从图可以看出，液滴在空中的运动轨迹呈抛物线形，抛物线的长短可以看出液滴的溅射速度有明显不同，抛物线越长速度越快，反之亦然。此外，液滴的溅射角度各异，其受到气泡破裂点、液面扰动、风力、风向等因素的影响。由图(b)和(c)可知，液滴的运动轨迹线粗细差异较大，说明迸射出的液滴直径大小不一。液滴溅射高度主要集中在10～20 cm范围，极少数达到20 cm以上。晒盐期间所观察到的彩虹现象出现在40 cm以下，是由于晒盐期间气泡直径可以达到20cm，而在小的鼓泡池中气泡直径最大不超过5cm。以此推断，溅射的高度可能与气泡的大小有一定关系。

（2）气泡大小对液滴数量的影响

显然单位面积的鼓泡池中溅射的液滴数量越多越有利于提高蒸发速率，为了考察气泡大小对液滴数量的影响，在鼓泡池液面以下10cm处设置了一个鼓泡口，通过改变鼓泡口结构调节鼓出气泡的平均直径分别为2、10、15mm，并且调节鼓气量将气泡在液面的覆盖面积控制在约100 cm2。当气泡直径在2mm时，生成的小气泡数量最多，这些小气泡破裂后所迸射出的液滴数量远多于气泡平均直径为10mm和大于15mm时所迸射出的液滴数量，气泡平均直径为10mm时气泡破裂后所迸射出的液滴数量多于平均直径大于15mm时所迸射出的液滴数量。在相同的覆盖面积下，小气泡的个数远多于大气泡的个数，并且小气泡的寿命短，更新速率比大气泡快。同时，小气泡覆盖100cm2的液面所需的气量为0.4L·min-1，而大气泡覆盖100cm2的液面则需要气量为2L·min-1。因此，小气泡能够显著增加液滴喷射的数目，提高蒸发速率。此外，气泡的大小对液滴的直径也存在影响。

（3）小气泡群对蒸发过程的影响分析

与大气泡群相比，小气泡群的产生所需压力更高，气量更低，气泡群在液面分布更广，小气泡的寿命更短，释放出的小液滴数量显著增多，这将产生合理效应：小气泡群更能带动周围液体的环流，由于盐田液位深度一般不高于10cm，与传统鼓泡装置的高径比差异非常大，对于浅池鼓泡过程的环流目前国内外研究甚少，通过实验观察发现，尽管鼓泡过程中液位只有8cm，但小气泡群在上升阶段能够呈现菊花状分布，并且小气泡群在液面上分布更广，说明小气泡群在上升过程中明显带动了周围液体的环流，环流推动小气泡向更广的范围扩张，环流的产生对于浓海水浅滩鼓泡蒸发过程而言，可以强化对流传热过程。

小液滴在溅射过程中与空气之间进行了快速的物质与能量交换，从空气中吸收了大量的热，并释放出大量水蒸气，这将导致浓海水蒸发过程中所吸收的热量主要来自于高温地面空气的热量而不是直接的太阳光能。环境空气的温度、干湿度和流通速度对浓海水鼓泡蒸发过程的影响将变成主要的影响因素。

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