第57卷 第9期 化 工 学 报
VoI.57 No.9 2006年9月 JournaI of ChemicaI Industry and Engineering （China ） September 2006
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aluminumalloy
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研究简报
单组分液体蒸发过程动力学特性
潘旭海，蒋军成，龚红卫
fbi是什么意思啊（南京工业大学城市建设与安全环境学院，江苏南京210009）
关键词：单组分液体；蒸发；风洞实验
中图分类号：TO 021.4 文献标识码：A
文章编号：0438-1157（2006）09-2058-04
Dynamic characteristics of evaporation process
liurenxing
for a mono-component licuid
PAN Xuhai ，JIANG Juncheng ，GONG Hongwei
（School of Urban Construction and Safety &Enwironmental Engineering ，Nanjing Uniwersity of Technology ，Nanjing 210009，Jiangsu ，China ）
resist
Abstract ：It is very important to predict the concentration of hazardous vapor in the air when some fIammabIe or toxic Iiguid is reIead on the ground.In order to achieve the aim ，the evaporation rate of reIead Iiguid must be known ，which is bad on understanding the evaporation dynamic process.In this paper ，wind tunneI evaporation experiments of benzene was made to study the dynamic characteristics of evaporation process for a mono-component Iiguid.The evaporation rate was obtained by measuring the mass Ioss rate of the evaporating Iiguid.The experiments resuIts indicated that the evaporation rate of benzene incread as wind speed or pooI depth incread.Wh
en the evaporation area was the same ，the evaporation rate decread as the characteristic size of the Iiguid pooI incread.And when the evaporation surface was Iocated above the ground ，the evaporation rate was greater than that of evaporation surface Iocated on the ground.The evaporation process of benzene was infIuenced by wind speed ，characteristic size of the Iiguid pooI and degree of atmospheric turbuIence ，i .e .，the evaporation of benzene was controIIed by boundary Iayer evaporation.So ，during the process of deveIoping an evaporation modeI of the substance such as benzene ，which has stronger voIatiIity and Iower saturation concentration in the air ，the basic evaporation process itIf can be ignored.Moreover ，the infIuence of pooI depth on evaporation indicated that heat transfer was very important in the evaporation process.Heat transfer and mass transfer shouId be considered at the same time when an evaporation mathematicaI modeI is deveIoped.
Key words ：mono-component Iiguid ；evaporation ；wind tunneI experiment
2005-08-22收到初稿，2006-05-08收到修改稿.
联系人及第一作者：潘旭海（1977—），男，博士，讲师.基金项目：国家自然科学基金重点项目（29936110）；教育部骨干教师资助计划项目.
引 言
危险性液体或液化气体泄漏后不断向环境中挥
发出有毒有害蒸气，不但污染环境，也会威胁人体
Received date ：2005-08-22.
Corresponding author ：Dr.PAN Xuhai.E -mail ：xuhaipan @
Foundation item ：supported by the NationaI NaturaI Science Foun-dation of China （29936110）.
健康［1］
.对液体蒸发过程进行研究，将有助于预测
大气环境中有毒有害蒸气的浓度，对环境风险评价具有一定的指导意义.
关于液体蒸发的研究最早源于气象及水文工作者对湖泊和水库中水蒸发的研究.早在l924年Hincheiy和Himus对水的蒸发实验报告中就指出单组分液体蒸发的动力来自于液体的蒸气压与该液体在周围空气中的蒸气分压之差.后来，这一观点被众多学者对各种易挥发有机物的蒸发实验所证实［2］.人们根据
水的蒸发速率模型，只是进行了简单的修正就直接用于预测危险性物质的蒸发［3］. Mackay和Matsugu［4］通过异丙基苯的蒸发实验对传质系数进行了修正，并推广到其他蒸发系统.Reijn-hart等［5-6］通过理论和实验研究，建立了半经验模型，但模型没有考虑热量传递对蒸发过程的影响.实际上热量传递对蒸发速率的影响很大，特别是对于挥发性很强的液体和液化气体的蒸发.Studer 等［7］对蒸发过程中的热量传递进行了分析，首次考虑了液体主体与表面层之间的热量传递.除了通过实验分析得出的经验和半经验模型以外，Brigh-ton［8］、Kunsch［9］、Boyadjiev［l0-ll］等还根据扩散理论、边界层理论对蒸发过程进行了研究，建立了描述蒸发过程的偏微分方程.
由于现实情况的复杂性，泄漏形成的液池往往具有形状不规则、液面高于地平面以及液池深度随液体蔓延逐渐减小等特点，这些都给蒸发速率的预测带来了一定的困难.而有关液池特征尺寸、液面与地面相对位置以及液池深度对蒸发的影响目前还没有相关的研究报道.
l 风洞实验研究
余味将装有实验液体的容器置于风洞内进行蒸发实验，液体质量减少速率即液体蒸发速率［l2］.液体质量由称重传感器进行测量.风由斜流风机提供，风速由热球式电风速计测量.为保证风速均匀，采用蜂窝器进行整流.通过对风机转速的微调保证风速波动稳定在10.l m·s-l.为保证风洞内温度波动稳定在10.5C，安装了可调功率的空气加热器.为考察液面与地面相对位置对蒸发的影响，设计了升降台，将
称重传感器安装在升降台上，通过调节升降台来控制液池液面与地面的相对位置.使用温度传感器测量环境温度和液体温度，测量数据经数据采集仪输入并存储在电脑中.为尽可能减少实验误差，每项实验重复进行3次，结果取平均值.整个实验装置及测试段结构示意图分别见图l和图
2.
Fig.l Experimentai eguipment of iiguid evaporation
Fig.2 Section of test area
实验使用美国Fiuke公司的2645A型数据采集仪，梅特勒-托利多（常州）称重设备系统有限公司的Mtl022型称重传感器（量程0~3kg，精度l g），以及北京环境保护仪器厂的ODF-2A热球式电风速计（
当风速<l.0m·s-l、<2.0m·s-l和< 3.0m·s-l时，测量精度分别是0.05、0.l、0.2m ·s-l）.实验液体采用上海凌峰化学试剂有限公司生产的苯（分析纯，含量＞99.5%）.
2 实验结果与讨论
!"#$风速对蒸发的影响
图3是苯蒸发速率随风速的变化.实验中液池直径为90mm，液体初温为（26.010.3）C，环境温度为（28.010.2）C，液面与地面平齐.由图3可见，苯的蒸发速率随风速的增大而增大.原因是苯的挥发性较大而在空气中的饱和浓度较小［3］，因此风速的增加有利于减少苯蒸气在气相边界层内的浓度，使蒸发驱动力增大，蒸发速率变快.图3中当风速为2.4m·s-l时，蒸发速率突然降低并略小于风速为2.2m·s-l时的蒸发速率的原因是实验结束后发现液体苯表面出现了“结冰”现象，导致平均蒸发速率降低.
另外，图3只是定性地给出了苯蒸发速率随风速的变化趋势，并不能真实反映蒸发速率与风速之
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第9期潘旭海等：单组分液体蒸发过程动力学特性
Fig.3 Wind Speed !"evaporation rate of benzene
间的数量变化关系.因为实验中测量的仅是液面上方某一高度上的单点速度值，不能反映液面上方的速
度分布情况，而速度梯度则是影响蒸发速率的关键因素.
2.2 液池深度对蒸发的影响
液池面积恒定时，液池深度对蒸发的影响实际就是液体质量对蒸发的影响.图4是苯蒸发速率随液池深度的变化.实验中风速为1.5m ·S -1，液池直径为100mm ，液体初温为（26.510.5）C ，环境温度为（28.010.4）C ，液面与地表平齐.由图4可见，苯蒸发速率随液池深度的增加而增大.主要原因是蒸发吸热导致液体温度下降，而液池越深，液体质量就越多，液体温度下降幅度就越小，蒸气压和蒸发驱动力相对较大，故蒸发速率较大.图4中液池深度为8cm 时蒸发速率突然增大的原因可能是当时大气压较低（98.9kpa ，低于其他实验99.8kpa 的平均大气压）的缘故
.
Fig.4 Evaporation rate !"pooI depth
2.3 液池特征尺寸对蒸发的影响
液池特征尺寸是指沿风向的液池最大长度.泄漏发生后液池形状往往不规则，风向不同，液池特征尺寸也不同.因此液池面积一定时，研究液池特征尺寸对蒸发的影响，从本质上讲也是研究风向对蒸发的影响.图5是苯蒸发速率随液池特征尺寸的变化.实验中风速为1.5m ·S -1，液池面积为0.01m 2，液体初温为（28.010.5）C ，环境温度为（30.010.2）C ，液面与地表平齐.由图5可见，
hlodlnk苯蒸发速率随液池特征尺寸的增大而减小.因为越是在液池上方靠近下风向处，空气中的苯蒸气浓度越高，浓度差就越小，蒸发驱动力就越小，蒸发速率也越小
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泰迪熊tedFig.5 Evaporation rate !"pooI
characteriStic Size
2.4 液面与地面相对位置对蒸发的影响
以上研究都是在液面与地面平齐的条件下进行的，这是理想情况，现实中几乎不存在.实际上由于防液堤、液体存储容器的存在，液面往往高于地面.图6是不同风速下，液面处于两种不同位置时苯的蒸发速率.实验条件与风速对蒸发的影响实验相同，只是液面高于地面5.5cm.由图6可见，相同环境下，液面高于地面时苯蒸发速率比液面与地面平齐时大，且随着风速的增大，两者之间的差别逐渐减小.原因是当液面高于地面时，容器的存在增加了环境气流的紊乱程度，导致苯蒸气分子容易进入环境空间，故蒸发速率较大.但是，随着风速的增大，环境气流本身的紊乱程度也增大，容器的存在对环境气流紊乱程度的影响逐渐减小，导致两者之间蒸发速率逐渐接近
.
Fig.6 InfIuence of IeveI Iocation on
evaporation rate
3 结 论
根据实验结果，苯的蒸发受环境风速、液池特征尺寸以及液面与地面相对位置的影响，这表明苯
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的蒸发主要受边界层蒸发控制［13］.故在建立数学模型时，可忽略基本蒸发过程的影响，而主要考虑风速、液池特征尺寸以及地表粗糙度等因素的影响.而液池深度对蒸发的影响表明在数学建模时必须要考虑热量传递过程，特别是在太阳辐射强度很弱、蒸发所需热量绝大部分来自蒸发液体本身时.实验中出现的液体苯表面“结冰”并导致蒸发速率突然降低的现象很好地证明了这一点.
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