碳酸飲料中傳質(zhì)現(xiàn)象分析

《碳酸飲料中傳質(zhì)現(xiàn)象分析》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在學(xué)術(shù)論文-天天文庫。

1、碳酸飲料中傳質(zhì)現(xiàn)象分析化61儲博釗20060116891.引言在日常生活中，碳酸飲料作為一種休閑飲品受到人們的喜愛。盛夏酷暑之中，一杯冰鎮(zhèn)的碳酸飲料往往令人頓時神清氣爽。這主要是由于碳酸在腹中由于溫度升高，即進行分解，這個分解是吸熱反應(yīng)，當(dāng)二氧化碳從體內(nèi)排放出來時，就把體內(nèi)的熱帶出來，起到清涼作用。但是，久置的碳酸飲料會因為其內(nèi)二氧化碳氣體的大量流失而變得索然無味。本文通過化工傳遞過程原理的基本規(guī)律，分析二氧化碳在靜置于一次性紙杯內(nèi)的碳酸飲料中的流失現(xiàn)象及其規(guī)律，以及杯底氣膜厚度隨時間周期性變化規(guī)律。2.碳酸飲料中二氧化碳流失過程模擬2.1模型建立與假設(shè)通過對碳酸飲料生產(chǎn)工藝的初

2、步調(diào)研，得知一般果汁型汽水含2~3倍容積的CO2，可樂型汽水和勾兌蘇打水含3~4倍容積的CO2。其中所謂“容積”是碳酸飲料制造工業(yè)常用單位，一容積是指在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，溶于一單位體積內(nèi)的二氧化碳體積數(shù)。為了具有一定代表性，不妨取新制碳酸飲料的初始濃度相當(dāng)3倍容積的CO2，考慮到運輸轉(zhuǎn)移過程中的損耗認為飲用時碳酸飲料的初始濃度為2倍容積的CO2，通過理想氣體定律換算為摩爾濃度如下：二氧化碳在液相中的初始壓力：碳酸飲料的紙杯為倒圓臺形，通過實際測量可得如下尺寸數(shù)據(jù)，設(shè)r1為液面半徑，H0為液面高度，r2為杯底半徑。通過實際測量可得：液面半徑r1/cm8杯底半徑r1/cm6液面高度H0/c

3、m12為了簡化模型，將紙杯近似為圓柱形，底面半徑取r1和r2的平均值r=7cm。忽略溫度變化對于靜置的碳酸飲料的影響，認為該體系處于293K(約20oC)的恒溫環(huán)境中，并且碳酸飲料為均勻溶液，CO2濃度在任意時刻不隨空間點的變化而變化。同時，為了便于查找數(shù)據(jù)，不妨設(shè)碳酸飲料的液相主體物化性質(zhì)與水相同，此時二氧化碳的流失主要以如下兩種傳質(zhì)擴散的形式進行：(i)液面擴散傳質(zhì)：碳酸飲料在液面出的傳質(zhì)過程相當(dāng)于二氧化碳在水和空氣中氣液兩相間的擴散傳質(zhì)過程，亦即CO2水溶液在空氣環(huán)境中的解吸過程，該解析過程屬于CO2的由液相主體向氣相主體的單向擴散。，以A代表CO2，B代表空氣，C代表水，

4、設(shè)pA為氣相主體中CO2分壓，cA為液相主體中CO2濃度，pAi、cAi分別為相界面處CO2的氣相一側(cè)分壓與液相一側(cè)濃度，(NA)G、(NA)L分別為溶質(zhì)通過氣、液膜的傳質(zhì)通量，根據(jù)雙模理論模型可知：已知20oC時，水的密度ρ=998.2kg/m3，E=1.44×105kPa，Ms=18g/mol，則溶解度系數(shù)為：同時有：通過摩爾平衡可得，因此：其中，pA0恒定為空氣中CO2分壓(CO2體積分數(shù)0.03%)，即pA0=0.03%×101325Pa=30.3975Pa，但是液相主體內(nèi)CO2濃度隨著CO2的擴散會逐漸減少，因此這是一個非穩(wěn)態(tài)的傳質(zhì)過程。同時，注意到；且在CO2在氣液兩

5、相中含量均較少的情況下，漂流因子；，則可以認為氣液相傳質(zhì)系數(shù)在此過程中均恒定。設(shè)(NA)1為液面擴散傳質(zhì)部分的傳質(zhì)通量(mol/(m2·s))，聯(lián)立以上各式可得：若設(shè)液面擴散傳質(zhì)引起的液相CO2物質(zhì)的量變化為，濃度變化為，同時液面面積為S1恒定，液相體積為V0，則：(ii)杯壁擴散傳質(zhì)：由于初始碳酸濃度過高，碳酸飲料會在紙杯壁附近形成諸多氣泡，這種方式形成的氣泡仍可按照單向擴散模型處理，膨脹階段時氣泡所受到的約束力大于上升力，但隨著氣泡的增長氣泡所受上升力逐漸增大，直至上升力等于約束力時氣泡脫離壁面，下一個新的氣泡又開始產(chǎn)生。同時，隨著傳質(zhì)推動力的減小，二氧化碳進入氣泡的流率逐漸

6、減小，認為在二氧化碳擴散過程中壁面各處氣泡的排布密度相同(近似均勻氣膜，厚度隨時間周期性變化)，只是單個氣泡生成所用的時間逐漸變長。設(shè)(NA)2為某時刻CO2相氣泡內(nèi)壁面擴散的傳質(zhì)通量(mol/(m2·s))，S為某時刻全部氣泡的表面積，設(shè)此部分擴散傳質(zhì)引起的液相濃度變化為，同時液相體積為V0，則：上式中，為了簡化模型可以認為S為一常量，可以認為在CO2擴散過程中在杯壁表面形成了一個表面積穩(wěn)定但厚度不斷波動的氣膜對氣泡生成及其消散過程進行模擬，因此氣泡總表面積S為杯底面積S1與杯側(cè)面積S2之和，分別對應(yīng)于杯底氣泡總表面積與。但是(NA)2為時間和位置的函數(shù)，隨著時間的延續(xù)和深度的

7、改變傳質(zhì)通量也由于傳質(zhì)推動力的變化而有所不同，下面分別就杯底和杯側(cè)壁的氣泡生成情況對其進行分析。對于杯底氣泡，認為其在生成過程中其內(nèi)氣體的壓力等于其所在位置所受到的液體壓強，設(shè)液相水密度為ρ，紙杯高度為H，底面半徑為r，氣泡內(nèi)CO2壓強為p’，則根據(jù)單向擴散傳質(zhì)模型有：其中，設(shè)此部分擴散傳質(zhì)引起的液相濃度變化為，則：對于杯側(cè)壁氣泡，認為其在生成過程中其內(nèi)氣體的壓力等于其所在位置所受到的液體壓強，設(shè)液相水密度為ρ，紙杯側(cè)壁某液膜在液面以下深度為h(0