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【研究】微通道中微氣泡如何強化混合及傳質(zhì)過程

更新時間:2024-04-22  |  點擊率:1059
  就傳質(zhì)性能的研究而言,對于氣 / 液 / 液體系典型研究是將微氣泡 / 氣柱引入液 / 液體系,對其液 / 液傳質(zhì)過程進(jìn)行強化。在分散液柱的流動過程中,液柱內(nèi)產(chǎn)生的相內(nèi)循環(huán)能夠大大加速相內(nèi)的混合,因此,把微氣柱分散在液體中,以將液體分隔成液柱,可以實現(xiàn)相內(nèi)混合、相間傳質(zhì)過程的強化。由于氣相和液相的性質(zhì)差異明顯,容易實現(xiàn)快速分相,這一新方式在涉及相內(nèi)快速混合與反應(yīng)過程的眾多領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
 
  Su 等 [1] 對 T 形微通道中水萃取煤油 / 磷酸三丁酯中的醋酸的過程進(jìn)行了研究。研究者分別觀測了在氣相入口處和流型充分發(fā)展處,氣相的表觀流速對液 / 液兩相的分散狀態(tài)的影響,如圖 1 所示。

圖 1 引入微氣柱 / 氣泡強化液 / 液相間傳質(zhì)

 
  從圖中可以看出,在氣相入口處,氣相的加入可以打破液 / 液體系的層流,并隨著氣 / 液 / 液三相表觀流速的不同,出現(xiàn)氣柱和液柱交替出現(xiàn)的“珍珠項鏈”式流動、氣泡引起液 / 液界面彎曲的流動、水相包圍氣泡的流動和氣相將水相壓縮成薄層的流動等豐富的流型。
 
  當(dāng)無氣相引入時,液 / 液兩相呈穩(wěn)定的層流流動,以擴散的方式進(jìn)行相間傳質(zhì);當(dāng)氣相的表觀流速較小時,所形成的微氣泡將水相分散成液柱,形成液柱和氣泡交替出現(xiàn)的分散流動;隨著氣相表觀流速的增大,氣泡逐漸轉(zhuǎn)變成氣柱;隨著氣相表觀流速的進(jìn)一步增大,氣體占據(jù)微通道的主要位置,而水相和有機相均被擠壓到微通道的壁面,形成薄層,在這種情況下,氣相的慣性力強于液 / 液體系的界面力,水相被破碎成約為 10 ~ 20μm 的液滴,此時,液 / 液體系的界面積很大,同時界面在氣相的擾動下產(chǎn)生強烈的湍動,使液 / 液相間傳質(zhì)過程得以強化。
 
  研究者計算了氣相的引入對液 /液體系總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明,總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著氣相表觀流速的增大而顯著增大,比傳統(tǒng)設(shè)備高 2 個數(shù)量級。這說明,微氣泡 / 氣柱的引入可以有效地強化液 / 液相間傳質(zhì)過程。
 
  譚璟 [2] 針對蒽醌法制備 H2O2 的極端相比萃取過程,提出利用微氣泡群強化極端相比液 / 液萃取過程。發(fā)展了多種氣相強化液 / 液微尺度傳遞性能的方式,如圖 2所示,基于擴散理論和微尺度氣泡群流動的特性,建立了預(yù)測氣 / 液 / 液體系傳質(zhì)過程的物理和數(shù)學(xué)模型,分析指出了微尺度氣泡強化傳質(zhì)性能的機理。實驗結(jié)果表明,微氣泡的加入可以有效地強化混合及傳質(zhì)過程,使萃取過程的總體積傳質(zhì)系數(shù)達(dá)到 21s−1。相比于無氣相擾動的液 / 液微分散萃取過程,總傳質(zhì)系數(shù)提高了10 倍以上。

 

  參考文獻(xiàn)
 
  [1] Su Y H, Chen G W, Zhao Y C, et al. Intensifi cation of liquid-liquid two-phase mass transfer by gas agitation in a microchannel[J]. AIChE J, 2009, 55:1948-1958.
 
  [2] 譚璟 . 氣 - 液分離與反應(yīng)過程微型化的基礎(chǔ)研究 [D]. 北京 : 清華大學(xué) , 2011.

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