مخلوط گازی دوفازی | نحوه تشکیل مخلوط گاز در مایع

مخلوط گازی/ سپهر گاز کاویان تولید کننده و تامین کننده گازهای خالص وترکیبی دارای گواهینامه ISO17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد ایران می باشد.جهت خرید گازهای خالص و ترکیبی تماس بگیرید.02146837072– 09304304437

مخلوط‌های دوفازی گازی، به سیستم‌هایی اطلاق می‌شوند که در آن‌ها فاز گازی همراه با یک فاز دیگر (معمولاً مایع یا جامد) در تعامل و همزیستی قرار دارند. این سیستم‌ها در طیف وسیعی از صنایع و پدیده‌های طبیعی، از جمله مهندسی شیمی، نفت و گاز، نیروگاه‌ها، صنایع غذایی، سیستم‌های تهویه مطبوع، و حتی در فرآیندهای بیولوژیکی و محیطی، نقش حیاتی ایفا می‌کنند. درک رفتار، خواص ترمودینامیکی و سینتیکی این مخلوط‌ها برای طراحی، بهینه‌سازی و عیب‌یابی فرآیندهای صنعتی و علمی ضروری است.

تعریف و انواع مخلوط‌های دوفازی گازی

یک مخلوط دوفازی گازی به سیستمی گفته می‌شود که حداقل شامل یک فاز گازی و یک فاز چگال (Condensed Phase) باشد. مهم‌ترین انواع این مخلوط‌ها عبارتند از:

مخلوط گازی-مایع (Gas-Liquid Two-Phase Flow): این نوع رایج‌ترین حالت مخلوط دوفازی گازی است. در این سیستم‌ها، گاز به صورت حباب (Bubbles)، جریان پیوسته (Continuous Flow)، یا قطرات مایع معلق در گاز (Mist Flow) وجود دارد. مثال‌ها شامل:
راکتورهای شیمیایی حباب‌دار (Bubble Column Reactors)
جریان گاز-مایع در خطوط لوله نفت و گاز
برج‌های جذب و تقطیر
سیستم‌های تبرید و تهویه مطبوع (جریان مبرد دوفازی)
آبفشان‌ها و فواره‌ها
مخلوط گاز-جامد (Gas-Solid Two-Phase Flow): در این سیستم‌ها، ذرات جامد در یک بستر گازی معلق یا در حال حرکت هستند. مثال‌ها شامل:
راکتورهای بستر سیال (Fluidized Bed Reactors) در صنایع پتروشیمی و تولید برق
انتقال پنوماتیک ذرات (Pneumatic Conveying)
جریان گرد و غبار در سیستم‌های فیلتراسیون
احتراق ذرات جامد (مانند ذغال سنگ پودر شده)
مخلوط گاز-مایع-جامد (Gas-Liquid-Solid Two-Phase Flow): این سیستم‌های پیچیده‌تر شامل هر سه فاز هستند. مثال‌ها شامل:
راکتورهای سه‌فازی (Three-Phase Reactors) در هیدروژناسیون کاتالیستی
واحد‌های تصفیه فاضلاب بیولوژیکی
فرآیندهای معدنی‌سازی و شناورسازی (Flotation)
نحوه تشکیل مخلوط دوفازی گاز-مایع (تمرکز بر گاز در مایع)

تشکیل مخلوط دوفازی گاز-مایع می‌تواند از طریق مکانیزم‌های مختلفی صورت گیرد:

حباب‌زایی (Bubbling): این روش رایج‌ترین راه برای وارد کردن گاز به مایع است. گاز از طریق یک منفذ (مانند نازل یا پخش‌کننده) به مایع تزریق می‌شود. اندازه، شکل و فرکانس حباب‌ها به عواملی مانند سرعت جریان گاز، خواص مایع (ویسکوزیته، کشش سطحی)، و هندسه ورودی بستگی دارد.
تشکیل حباب در نازل: گاز به دلیل اختلاف فشار از نازل خارج شده و به شکل حباب‌های کروی یا نامنظم در مایع بالا می‌رود.
تشکیل حباب در صفحات سوراخ‌دار: گاز از سوراخ‌های متعدد یک صفحه وارد مایع می‌شود که منجر به تولید حباب‌های کوچک‌تر و توزیع یکنواخت‌تر می‌شود.
جوشش (Boiling): در این فرآیند، فاز مایع به دلیل افزایش دما تا نقطه جوش یا کاهش فشار، به فاز گازی تبدیل می‌شود. حباب‌های بخار در داخل مایع تشکیل شده و رشد می‌کنند.
جوشش هسته‌ای (Nucleate Boiling): حباب‌ها از نقاط هسته‌زایی (مانند ناهمواری‌های سطح حرارتی) روی سطوح داغ تشکیل می‌شوند.
جوشش فیلمی (Film Boiling): در دماهای بسیار بالا، یک لایه پیوسته از بخار سطح داغ را پوشانده و انتقال حرارت را مختل می‌کند.
انحلال و خروج گاز (Dissolution and Exsolution): گاز می‌تواند در مایع حل شود (مطابق قانون هنری) و سپس تحت شرایط خاصی (مانند کاهش فشار یا افزایش دما) از مایع خارج شده و به صورت حباب ظاهر شود. مثال بارز این پدیده، باز کردن یک نوشابه گازدار است.

تراکم (Condensation): فرآیند معکوس جوشش که در آن بخار (فاز گازی) به مایع تبدیل می‌شود و منجر به تشکیل قطرات مایع در فاز گازی یا رشد لایه‌های مایع می‌شود.

واکنش‌های شیمیایی (Chemical Reactions): برخی واکنش‌های شیمیایی محصولات گازی تولید می‌کنند که در مایع تشکیل حباب می‌دهند.

برای کسب اطلاعات در رابطه با مخلوط های گازی ، گاز های خالص نیتروژن ، ارگون ، هلیوم ، اکسیژن و….. با شماره های 02146737072 یا 09304304437 با کارشناسان مجموعه سپهر گاز کاویان تماس حاصل فرمایید .

مخلوط‌های دوفازی گازی در صنایع مختلفی مورد استفاده قرار می‌گیرند:

نفت و گاز: انتقال نفت و گاز از چاه‌ها، جداسازی گاز از مایع در جداکننده‌ها.
نیروگاه‌ها: بویلرها (جوشش آب و تولید بخار)، کندانسورها.
صنایع شیمیایی و پتروشیمی: راکتورهای چندفازی، برج‌های جذب و دفع، تقطیر.
تهویه مطبوع و تبرید: سیکل‌های تبرید با استفاده از مبرد دوفازی.
صنایع غذایی: تولید نوشابه‌های گازدار، تخمیر.
محیط زیست: تصفیه فاضلاب، هوادهی (Aeration).
چالش‌ها و مدل‌سازی

رفتار مخلوط‌های دوفازی بسیار پیچیده است و مدل‌سازی دقیق آن‌ها چالش‌های زیادی دارد. این پیچیدگی ناشی از:

تداخل و برهم‌کنش‌های بین فازها
تغییر شکل و اندازه سطوح مشترک
وابستگی به خواص فیزیکی سیالات و هندسه سیستم
پدیده‌های انتقال جرم و حرارت همزمان
مدل‌سازی این سیستم‌ها معمولاً با استفاده از رویکردهای همگن (Homogeneous Models)، جداگانه (Separated Flow Models) یا دو-فلوید (Two-Fluid Models) انجام می‌شود. همچنین، شبیه‌سازی‌های دینامیک سیالات محاسباتی (CFD) نقش مهمی در مطالعه و پیش‌بینی رفتار این مخلوط‌ها ایفا می‌کنند.

نحوه تشکیل مخلوط گاز در مایع: فرآیندها و عوامل مؤثر

مخلوط‌های گاز در مایع، که اغلب به عنوان “محلول‌های گازی” یا “سیستم‌های دوفازی گاز-مایع” شناخته می‌شوند، در بسیاری از فرآیندهای طبیعی، صنعتی و بیولوژیکی نقش حیاتی دارند. از نوشیدنی‌های گازدار و اکسیژن‌رسانی در آبزی‌پروری گرفته تا فرآیندهای شیمیایی پیچیده، درک نحوه تشکیل این مخلوط‌ها از اهمیت بالایی برخوردار است. این مقاله به بررسی فرآیندهای فیزیکی و شیمیایی مؤثر بر تشکیل مخلوط گاز در مایع و عوامل کلیدی مؤثر بر آن می‌پردازد.

۱. مقدمه: تعریف و اهمیت
مخلوط گاز در مایع به وضعیتی اشاره دارد که مولکول‌های گاز به صورت پراکنده یا محلول در یک فاز مایع وجود دارند. این مخلوط‌ها می‌توانند به صورت محلول واقعی (جایی که مولکول‌های گاز به صورت مجزا در مایع حل می‌شوند) یا به صورت سوسپانسیون حباب‌های گاز در مایع (جایی که گاز به شکل فاز مجزا باقی می‌ماند) باشند. اهمیت این پدیده‌ها در زمینه‌های مختلف عبارت است از:

صنایع غذایی و آشامیدنی: تولید نوشابه‌های گازدار، آبجو، شامپاین و کرم‌های پفکی.
مهندسی شیمی و فرآیند: راکتورهای گاز-مایع، جذب گاز، تقطیر و استخراج.
محیط زیست: اکسیژن‌رسانی در آب‌ها، حذف آلاینده‌های گازی از مایعات.
زیست‌شناسی و پزشکی: تبادل گاز در خون، تحویل داروها.
پدیده‌های طبیعی: اکسیژن محلول در آب‌های طبیعی، فوران‌های آتشفشانی.

۲. مکانیزم‌های تشکیل مخلوط گاز در مایع

تشکیل مخلوط گاز در مایع عمدتاً از طریق دو مکانیزم اصلی صورت می‌گیرد:

الف) انحلال گاز (Dissolution)

این فرآیند زمانی رخ می‌دهد که مولکول‌های گاز از فاز گازی وارد فاز مایع شده و به صورت مجزا بین مولکول‌های مایع پراکنده می‌شوند. نیروی محرکه اصلی این فرآیند، اختلاف غلظت گاز بین فاز گاز و مایع است. انحلال گاز تحت تأثیر قانون هنری قرار می‌گیرد که بیان می‌کند در دمای ثابت، حلالیت یک گاز در یک مایع با فشار جزئی آن گاز در بالای مایع متناسب است:

مکانیزم انحلال شامل مراحل زیر است:

برخورد مولکول‌های گاز با سطح مایع: مولکول‌های گاز از فاز گازی به سمت سطح مشترک گاز-مایع حرکت می‌کنند.
جذب سطحی: مولکول‌های گاز به صورت موقت به سطح مایع می‌چسبند.
نفوذ (Diffusion) به داخل مایع: مولکول‌های گاز از سطح وارد حجم مایع شده و در آنجا پراکنده می‌شوند. این مرحله معمولاً مرحله تعیین‌کننده سرعت (Rate-Limiting Step) در انحلال است.

ب) پراکندگی و حباب‌سازی (Dispersion and Bubbling)

این مکانیزم زمانی اتفاق می‌افتد که گاز به صورت فیزیکی به داخل مایع وارد شده و تشکیل حباب‌هایی با اندازه‌های مختلف می‌دهد. این روش معمولاً با اعمال نیروی خارجی صورت می‌گیرد و حلالیت گاز لزوماً در اینجا هدف اصلی نیست، بلکه ایجاد سطح مشترک وسیع بین گاز و مایع برای انتقال جرم یا واکنش است. روش‌های پراکندگی عبارتند از:

دمیدن گاز (Sparging/Bubbling): گاز از طریق یک لوله یا دیفیوزر (مانند سنگ هوا در آکواریوم‌ها) به داخل مایع دمیده می‌شود و حباب‌هایی را تشکیل می‌دهد که در مایع بالا می‌روند.
همزن مکانیکی (Mechanical Agitation): با استفاده از پروانه یا همزن‌های مکانیکی، گاز از فضای بالای مایع به داخل آن کشیده شده و به صورت حباب‌های ریز پراکنده می‌شود.
کاویتاسیون (Cavitation): در اثر افت ناگهانی فشار در مایع (معمولاً در پمپ‌ها یا اطراف پروانه‌های با سرعت بالا)، حباب‌های گاز یا بخار تشکیل شده و سپس می‌ترکند.
تولید درجا (In-situ Generation): گاز می‌تواند در خود مایع از طریق واکنش‌های شیمیایی (مانند تولید
CO
2
CO2از واکنش اسید و بی کربنات) یا فرآیندهای بیولوژیکی (مانند تخمیر) تولید شود.

۳. عوامل مؤثر بر تشکیل مخلوط گاز در مایع

عوامل متعددی بر سرعت و میزان تشکیل مخلوط گاز در مایع تأثیر می‌گذارند:

الف) خواص گاز

فشار جزئی گاز: طبق قانون هنری، افزایش فشار جزئی گاز بالای مایع، حلالیت گاز را افزایش می‌دهد.
ماهیت گاز: گازهایی با قطبیت مشابه مایع و یا گازهایی که با مایع واکنش می‌دهند (مانند
CO
2
CO
2

که در آب تشکیل اسید کربنیک می‌دهد)، حلالیت بیشتری دارند.
اندازه مولکولی: مولکول‌های کوچکتر معمولاً راحت‌تر در مایع نفوذ می‌کنند.

ب) خواص مایع (حلال)

دما: افزایش دما معمولاً حلالیت گازها در مایعات را کاهش می‌دهد (استثناهایی مانند برخی پلیمرها وجود دارد). این به دلیل افزایش انرژی جنبشی مولکول‌های مایع و گاز است که باعث فرار مولکول‌های گاز از مایع می‌شود.
ویسکوزیته (گرانروی): مایعات با ویسکوزیته بالاتر، مقاومت بیشتری در برابر نفوذ و حرکت حباب‌های گاز از خود نشان می‌دهند که می‌تواند بر سرعت انحلال و پراکندگی تأثیر بگذارد.
کشش سطحی: کشش سطحی مایع بر اندازه حباب‌های تشکیل شده تأثیر می‌گذارد. کشش سطحی بالاتر معمولاً منجر به تشکیل حباب‌های بزرگتر می‌شود، در حالی که کاهش کشش سطحی (مثلاً با افزودن سورفکتانت‌ها) می‌تواند به تشکیل حباب‌های ریزتر کمک کند و در نتیجه سطح تماس گاز-مایع را افزایش دهد.
ترکیب شیمیایی مایع: وجود املاح، ناخالصی‌ها، یا سایر مواد حل شده در مایع می‌تواند بر حلالیت گاز تأثیر بگذارد (اثر نمک‌زایی (salting out) یا نمک‌نشانی (salting in)).

پ) شرایط عملیاتی و هندسه سیستم

فشار کلی سیستم: فشار بالاتر به طور کلی حلالیت گاز را افزایش می‌دهد.
سطح تماس گاز-مایع: هرچه سطح تماس بین فاز گاز و مایع بیشتر باشد، سرعت انتقال جرم و انحلال گاز بیشتر خواهد بود. این موضوع اهمیت طراحی دیفیوزرها، همزن‌ها و راکتورهای حباب‌دار را برجسته می‌کند.
اختلاط (Agitation): همزدن مایع به طور مداوم، غلظت گاز محلول در تمام نقاط مایع را یکنواخت می‌کند و گرادیان‌های غلظت را کاهش می‌دهد، که این امر به افزایش سرعت انتقال گاز از سطح به توده مایع کمک می‌کند. همچنین، همزدن قوی می‌تواند حباب‌های گاز را به ذرات ریزتر تقسیم کند و سطح تماس را افزایش دهد.
زمان تماس: مدت زمانی که گاز با مایع در تماس است، به طور مستقیم بر میزان انحلال و پراکندگی تأثیر می‌گذارد.

۴. پدیده‌های مرتبط با مخلوط‌های گاز در مایع

تبادل جرم (Mass Transfer): فرآیند اصلی در تشکیل مخلوط‌های گاز در مایع است که شامل انتقال مولکول‌های گاز از فاز گازی به فاز مایع و بالعکس می‌شود.
پایداری حباب‌ها: پایداری حباب‌های گاز در مایع تحت تأثیر خواص مایع (ویسکوزیته، کشش سطحی) و وجود ناخالصی‌ها (مانند سورفکتانت‌ها) قرار دارد. حباب‌های پایدارتر، زمان بیشتری برای تبادل جرم دارند.
فومینگ (Foaming): در برخی سیستم‌ها، پایداری حباب‌ها می‌تواند منجر به تشکیل لایه‌ای از فوم در سطح مایع شود که می‌تواند مشکلات عملیاتی ایجاد کند.
خروج گاز (Degassing/Effervescence): زمانی که فشار جزئی گاز بالای مایع کاهش یابد یا دما افزایش یابد، گازهای محلول می‌توانند از مایع خارج شده و به شکل حباب ظاهر شوند (مانند باز کردن یک بطری نوشابه گازدار).
۵. کاربردها
نوشابه‌های گازدار: تزریقCO2
CO2تحت فشار بالا به مایع.
راکتورهای بیولوژیکی (بیوراکتورها): اکسیژن‌رسانی برای رشد میکروارگانیسم‌ها.
تصفیه آب و فاضلاب: هوادهی (aeration) برای حذف آلاینده‌های آلی و تهویه.
صنایع نفت و گاز: جداسازی گاز از مایعات، عملیات شیرین‌سازی گاز.
فرایندهای شیمیایی: سنتزهای شامل واکنش‌های گاز-مایع.
۶. نتیجه‌گیری
تشکیل مخلوط گاز در مایع یک پدیده پیچیده اما از نظر عملی بسیار مهم است که تحت تأثیر عوامل فیزیکی و شیمیایی متعددی قرار دارد. درک دقیق مکانیزم‌های انحلال و پراکندگی، همراه با شناخت عوامل مؤثر مانند دما، فشار، خواص حلال و گاز، و شرایط عملیاتی، برای طراحی، بهینه‌سازی و کنترل فرآیندهای صنعتی و طبیعی که شامل این سیستم‌های دوفازی هستند، ضروری است. با کنترل این عوامل، می‌توانیم به طور مؤثر انتقال جرم بین فازهای گاز و مایع را مدیریت کرده و عملکرد سیستم‌های مختلف را بهبود بخشیم.

نتیجه‌گیری

مخلوط‌های دوفازی گازی از سیستم‌های بنیادین و پیچیده در علوم و مهندسی به شمار می‌روند. درک عمیق از مکانیسم‌های تشکیل، خواص جریان، و پدیده‌های انتقال در آن‌ها برای توسعه فناوری‌های جدید، بهبود کارایی فرآیندها، و حل مسائل چالش‌برانگیز در صنایع مختلف حیاتی است. با پیشرفت در ابزارهای اندازه‌گیری و مدل‌سازی، توانایی ما در مهار و بهینه‌سازی این سیستم‌های پویا به طور فزاینده‌ای افزایش می‌یابد.

تشکیل مخلوط گاز در مایع یک پدیده پیچیده اما از نظر عملی بسیار مهم است که تحت تأثیر عوامل فیزیکی و شیمیایی متعددی قرار دارد. درک دقیق مکانیزم‌های انحلال و پراکندگی، همراه با شناخت عوامل مؤثر مانند دما، فشار، خواص حلال و گاز، و شرایط عملیاتی، برای طراحی، بهینه‌سازی و کنترل فرآیندهای صنعتی و طبیعی که شامل این سیستم‌های دوفازی هستند، ضروری است. با کنترل این عوامل، می‌توانیم به طور مؤثر انتقال جرم بین فازهای گاز و مایع را مدیریت کرده و عملکرد سیستم‌های مختلف را بهبود بخشیم.