松脂溶液中CO2气泡上升动力学特性的多维度解析与机制探究.docxVIP

松脂溶液中CO2气泡上升动力学特性的多维度解析与机制探究

一、引言

1.1研究背景与意义

松脂作为一种重要的可再生资源，在化工、医药、食品等众多领域有着广泛的应用。其加工过程主要是通过蒸馏分离，得到松香和松节油这两种关键产品。传统的水蒸汽法蒸馏松脂存在能量消耗大、设备复杂以及产生三废等问题。近年来，CO?循环活气法因其节能、环保以及产品质量高等优势，逐渐受到关注并在实际生产中得到应用。

在CO?循环活气法蒸馏松脂过程中，CO?气泡在松脂溶液中的行为起着至关重要的作用。一方面，CO?气泡穿过松脂液层，极大地促进了汽液相际间的传热传质过程。随着气泡的上升，其与松脂充分接触，热量得以快速传递，使得松脂中的各组分能够更有效地进行分离，加快了蒸馏进程。另一方面，CO?气泡的存在降低了松节油蒸气的分压，依据相平衡原理，这会导致松脂泡点温度降低，使得蒸出组分更易于逸出，起到了良好的解吸作用，从而提高了蒸馏效率和产品的质量。

然而，目前对于松脂溶液中单个CO?气泡上升动力学特性的研究还相对较少。深入了解CO?气泡在松脂溶液中的上升速度、轨迹、形态变化以及与周围流体的相互作用等动力学特性，对于优化松脂蒸馏工艺、提高蒸馏效率、降低能耗以及提升产品质量具有重要意义。通过精准掌握这些特性，可以为蒸馏设备的设计和操作参数的优化提供坚实的理论依据，进而推动松脂加工行业朝着更加高效、节能、环保的方向发展。

1.2国内外研究现状

在松脂加工领域，传统水蒸汽法蒸馏松脂的研究已较为成熟，其操作流程、设备设计等方面都有了明确的规范。但近年来，为解决水蒸汽法存在的能耗高、设备复杂及三废问题，CO?循环活气法等新型蒸馏技术成为研究热点。陈小鹏等人采用克莱森(Claisen)蒸馏烧瓶为蒸馏器、CO?或N?为活气进行松脂蒸馏的研究，考察了活气流量、蒸馏压力、蒸馏终温、活气温度及不同活气种类对松脂蒸馏的影响，结果表明CO?循环活气法在节能、产品质量提升等方面具有显著优势。侯文彪、江文夺、吴嘉超等学者测定了常压、温度428.15~488.15K下松香质量分数为0~70%的松脂体系气液平衡数据，考察了松节油优油（,-蒎烯95.85%）和松节油中油（,-蒎烯36.00%）组分对松脂蒸馏解吸的影响，还依据松脂气液平衡特性和解吸影响因素，针对松脂蒸馏过程设计了N?/CO?循环活气法改进工艺。以年产1万吨松香为计算基准，与传统过热水蒸气活气法蒸馏松脂相比，N?/CO?循环活气法减少消耗标准煤567.4~694.0t/a，减少温室气体CO?排放量2080~2545t/a，减少冷却水消耗量1.329×10?~1.624×10?m3/a。这些研究主要集中在工艺条件优化和整体蒸馏效果分析上，对于蒸馏过程中关键的CO?气泡动力学特性涉及较少。

在气泡动力学研究方面，众多学者对气泡在不同流体中的上升行为进行了广泛研究。经典的研究如对气泡在水中上升时的形态、速度、轨迹等方面，已经建立了较为完善的理论模型，像基于曳力系数的相关模型用于描述气泡上升速度。对于高粘度流体中的气泡动力学，也有一定的研究成果。然而，松脂溶液具有独特的物理化学性质，其粘度、表面张力等与常见流体有较大差异，不能简单地将其他流体中气泡动力学的研究成果直接应用于松脂体系。

在CO?在相关体系中应用的研究方面，CO?在石油开采、化工分离等领域的应用研究较为深入。在石油开采中，CO?驱油技术利用CO?与原油的相互作用，提高原油采收率；在化工分离中，利用CO?的超临界特性进行萃取分离。但这些应用场景与松脂蒸馏过程中CO?气泡的行为和作用机制存在明显不同。

综上所述，目前对于松脂溶液中单个CO?气泡上升动力学特性的研究还处于起步阶段，在这一领域存在明显的研究空白。现有研究缺乏对松脂溶液特殊性质下CO?气泡上升过程中形态变化规律、上升速度的准确预测模型以及气泡与松脂溶液之间传热传质微观机理的深入探究。而这些方面对于深入理解CO?循环活气法蒸馏松脂的本质，进一步优化蒸馏工艺具有关键作用，亟待开展系统的研究。

1.3研究目标与内容

本研究旨在深入揭示CO?气泡在松脂溶液中的上升规律和影响因素，为CO?循环活气法蒸馏松脂工艺的优化提供坚实的理论基础和数据支持。具体研究内容主要涵盖以下两个方面：

实验研究：搭建一套高精度、可调控的实验装置，用于模拟松脂溶液中单个CO?气泡的上升过程。通过改变松脂溶液的温度、浓度、粘度等关键物理性质，以及CO?气泡的初始直径、注入速度等条件，系统地研究这些因素对CO?气泡上升速度、轨迹、形态变化的影响。利用先进的高速摄像技术，捕捉CO?气泡在上升过程中的瞬间形态，结合图像处理软件，精确测量气泡的直径、形状因子等参数随时间和空