荀　濤，蔡旺鋒，張旭斌

(天津大學(xué)化工學(xué)院，天津 300350)

微通道反應(yīng)器，由于其極高的相接觸面積及在微通道內(nèi)形成的特殊流型，與傳統(tǒng)反應(yīng)器相比可顯著提高傳質(zhì)及傳熱效率，作為一種有效的過程強(qiáng)化手段，近年來受到了研究者的廣泛關(guān)注[1-5]。

由于微通道特征尺寸小，液-液兩相流的流動(dòng)形式通常為層流，兩相界面受流動(dòng)狀況和界面張力影響，微通道內(nèi)可形成彈狀流、滴狀流、并行流等特殊流型[6]。一定物系和流量比條件下，流速較低時(shí)較易形成彈狀流或滴狀流；隨著流速的增大，彈狀流或滴狀流轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿辛鱗7-8]。液-液彈狀流的形成，一方面可以增大相接觸面積，另一方面，由于彈狀流存在內(nèi)循環(huán)作用，相界面的表面更新速率大大提高，傳質(zhì)效率較傳統(tǒng)反應(yīng)器顯著提高；彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿辛鳡顟B(tài)時(shí)，相接觸面積降低，內(nèi)循環(huán)作用消失，傳質(zhì)效率降低[9-11]。

Wang等[12-13]使用雙T型微通道，研究了氣-液-液彈狀流的形成過程及流體力學(xué)規(guī)律，研究表明，第二T型接口處分散相液滴的形成主要受第一T型接口處形成的氣-液泰勒流的剪切作用的影響，氣相的引入帶來的額外剪切作用可促進(jìn)分散相液滴的形成。

本研究使用雙T型微通道，采用體積分?jǐn)?shù)為30%的磷酸三丁酯(TBP)的環(huán)己烷溶液-乙酸水溶液為萃取體系，研究氣相的引入對(duì)微通道中液-液兩相流的流型及傳質(zhì)的影響，以及不同的氣相流量分率α、不同油水兩相體積流量比q條件下的流型及傳質(zhì)行為。氣相流量分率α及油水兩相流量比q的定義式如式(1)與式(2)所示。

(1)

(2)

式(1)與式(2)中，Qg為氣相流量，mL/min；Qor為油相流量，mL/min；Qaq為水相流量，mL/min。

1　實(shí)驗(yàn)部分

1.1　流型研究

實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。首先，關(guān)閉氣相入口，使用CCD高速攝像機(jī)對(duì)有機(jī)玻璃(PMMA)微通道內(nèi)液-液兩相流流型進(jìn)行拍攝，研究不同油水兩相流量比及總流量條件下，油水兩相形成的兩相流流型，兩相總流量(Qor+Qaq)范圍為0.6～7.5 mL/min，油水兩相流量比q分別為4∶1、2∶1、1∶1、1∶2。其次，研究氣相的引入、不同的氣相流量分率α及油水兩相流量比q對(duì)流型的影響。流型研究及隨后的傳質(zhì)研究過程中，氣相流量分率α的改變均是在液相流量不變的條件下，通過改變氣相流量Qg實(shí)現(xiàn)的。如圖1所示，在第一T型接口處空氣作為氣相與體積分?jǐn)?shù)為30%的TBP的環(huán)己烷溶液混合形成氣-液兩相流，濃度為3.33×10-2mol/L的乙酸水溶液作為水相在第二T型接口處被加入到氣-液兩相流中，形成氣-液-液三相流。實(shí)驗(yàn)體系物性如表1所示。

圖1　實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1　Devices of the experiment

物系密度ρ/(kg·m-3)黏度μ/(mPa·s)壁面接觸角/(°)水相99851008　76有機(jī)相821709470空氣12052593×10-2

1.2　傳質(zhì)研究

傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)所用實(shí)驗(yàn)裝置與流型實(shí)驗(yàn)相同。使用30%TBP的環(huán)己烷溶液為有機(jī)相，濃度為3.33×10-2mol/L的乙酸水溶液為水相，空氣為氣相進(jìn)行氣-液-液三相流中液-液萃取實(shí)驗(yàn)，水相中的部分乙酸被萃取至油相中。研究不同的油水兩相流量比條件下，氣相的加入以及不同的氣相流量分率對(duì)液-液傳質(zhì)的影響。其中，油水兩相流量比q分別為2∶1、1∶1、1∶2，液相總流量范圍為0.8～6.0 mL/min，氣相流量分率α分別為0、20%、40%、60%。萃取結(jié)束后，油相與水相在分離器中得到迅速分離，使用濃度為1.25×10-2mol/L的NaOH溶液對(duì)萃取后的水相進(jìn)行滴定，確定傳質(zhì)量，同時(shí)，測定乙酸在油相與水相中的分配系數(shù)(0.776)，進(jìn)而計(jì)算傳質(zhì)系數(shù)kLa。

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1　流型研究

2.1.1氣相的引入對(duì)流型的影響

圖2顯示了不同流量比及總流量條件下，微通道內(nèi)液-液兩相流流型分布情況。

圖2　液-液兩相流流型分布圖Fig.2　Flow pattern map of liquid-liquid two phase flow

研究發(fā)現(xiàn)，在一定流量比下，隨總流量的增大，液-液兩相流流型會(huì)由彈狀流或滴狀流轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿辛?。且油水兩相流量比q對(duì)流型的影響較大，q越大越易形成彈狀流或滴狀流。q=4∶1時(shí)，隨總流量的增大流型由彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榈螤盍魅缓笤俎D(zhuǎn)變?yōu)椴⑿辛鳌?/p>

圖3為使用CCD高速攝像機(jī)拍攝的q=1時(shí)液-液兩相流與氣-液-液三相流的典型流型圖。

圖3　不同條件下微通道內(nèi)流型圖Fig.3　Flow pattern in microchannel under different conditions

圖3(a)顯示，油相與水相流量同為0.3 mL/min時(shí)，微通道中可形成穩(wěn)定的液-液彈狀流。由表1可知，有機(jī)相與PMMA的壁面接觸角小于水相的壁面接觸角，因此PMMA為疏水材料，微通道中流型為彈狀流或滴狀流時(shí)，油相為連續(xù)相，水相為分散相。

兩相流量同時(shí)增加至0.4 mL/min時(shí)，微通道內(nèi)流型如圖3(b)所示，此時(shí)流型由較低流量時(shí)的彈狀流變?yōu)椴⑿辛鳌?/p>

在油水兩相流量同為0.4 mL/min的條件下，向微通道中加入流量為0.2 mL/min的氣相，圖3(c)顯示，此時(shí)微通道中可形成穩(wěn)定的氣-液-液三相彈狀流，其中輪廓顏色較深的分散相為氣相，輪廓顏色較淺的分散相為水相。

實(shí)際上，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)條件變化范圍內(nèi)，向液-液兩相流中引入氣相后，微通道內(nèi)均可以形成氣-液-液三相彈狀流。實(shí)驗(yàn)證明，氣相的引入可改變液-液兩相流流型，使流型由并行流變?yōu)闅?液-液彈狀流。

2.1.2氣相流量分率α及油水兩相流量比q的影響

在油水兩相總流量為0.6～6.0 mL/min實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，研究了氣相流量分率α及油水兩相流量比q對(duì)流型的影響。實(shí)驗(yàn)過程中α的變化范圍為20%～60%，油水兩相流量比分別為q=2∶1、q=1∶1及q=1∶2。

研究發(fā)現(xiàn)，在q=2∶1與q=1∶1兩種油水兩相流量比條件下，如圖4所示，水相液彈的形成主要是由于油相及氣相的剪切作用。q=1∶2時(shí)，如圖5所示，由于水相流量較大，油相對(duì)水相的剪切作用不足以形成液彈，氣相對(duì)水相的剪切作用會(huì)形成一段較大的液彈；同時(shí)，氣-液-液彈狀流形成過程中會(huì)伴隨氣泡的斷裂，在斷裂的氣泡之間會(huì)形成水相液彈，且該液彈與氣相距離較近。

圖4　q=1∶1時(shí)氣-液-液彈狀流形成過程Fig.4　The formation of gas-liquid-liquid slug flow with q=1∶1

圖5　q=1∶2時(shí)氣-液-液彈狀流形成過程Fig.5　The formation of gas-liquid-liquid slug flow with q=1∶2

在實(shí)驗(yàn)條件范圍內(nèi)，通過CCD攝像機(jī)所拍攝流型圖發(fā)現(xiàn)，隨氣相流量分率α的增大，水相形成的液彈變小。這是由于隨α增大，有機(jī)相與氣相的表觀流速增大，對(duì)水相的剪切作用增強(qiáng)。其中，Qor=0.533 mL/min，Qaq=0.267 mL/min時(shí)，氣相流量分率α對(duì)液滴尺寸的影響如圖6所示。

圖6　氣相流量分率對(duì)液彈尺寸的影響Fig.6　The influence of α on liquid slug size

2.2　傳質(zhì)研究

2.2.1雷諾數(shù)及傳質(zhì)系數(shù)的定義

氣相雷諾數(shù)Reg與液相平均雷諾數(shù)ReM分別由式(3)和(4)定義：

(3)

(4)

其中，

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

式(3)～式(10)中，DH為主通道當(dāng)量直徑，m；Ug、Uor與Uaq為各相表觀流速，m/s；UM為液相表觀流速，m/s；ρg、ρor與ρa(bǔ)q為各相密度，kg/m3；ρM為液相平均密度，kg/m3；μg、μor與μaq為各相黏度，mPa·s；μM為液相平均黏度，mPa·s；A為主通道橫截面積，m2；w與h分別為主通道寬與深，m；φor為有機(jī)相流量占液相總流量分率。

由于萃取過程中油相與水相有效接觸面積不易計(jì)算，通常使用總體積傳質(zhì)系數(shù)kLa來衡量傳質(zhì)速率，其定義式為式(11)[14]。

(11)

對(duì)式(9)積分可得kLa的計(jì)算式：

(12)

式(11)與式(12)中，V為微通道傳質(zhì)段中油相體積，m3；Cor,i與Cor,o分別為入口與出口處油相乙酸濃度，mol/L；Cor,i*為與入口處水相乙酸濃度平衡的油相乙酸濃度，mol/L；Cor,o*為與出口處水相溶質(zhì)濃度相平衡的油相乙酸濃度，mol/L。

2.2.2氣相流量分率α對(duì)傳質(zhì)的影響

q=2∶1、q=1∶1、q=1∶2三種流量比條件下，氣相流量分率α對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響如圖7、圖8、圖9所示。

圖7　q=2∶1時(shí)氣相流量分率對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.7　The influence of α on kLa with q=2∶1

圖8　q=1∶1時(shí)氣相流量分率對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.8　The influence of α on kLa with q=1∶1

圖9　q=1∶2時(shí)氣相流量分率對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.9　The influence of α on kLawith q=1∶2

由圖2的液-液兩相流型分布圖可知，在傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)所采用的油水兩相流量條件下，油水兩相流量比q為2∶1時(shí)，隨著兩相流速的增大，液-液兩相流流型由彈狀流變?yōu)椴⑿辛鳎虼?，圖7中未加入氣相時(shí)，傳質(zhì)系數(shù)kLa隨流速增大先顯著增大，隨后突然下降，繼續(xù)增大兩相流速kLa又緩慢提高；而油水兩相流量比q為1∶1與1∶2時(shí)，傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)所采用的流量條件下，液-液兩相流流型均為并行流，因此這2種流量比條件下液-液兩相流的kLa均隨流速緩慢增大。

綜合分析圖7、圖8和圖9可知，液-液兩相流流型為并行流時(shí)，氣相的引入可顯著提高傳質(zhì)系數(shù)kLa；且隨著氣相流量分率α的增大，kLa可得到進(jìn)一步的提高。

液-液兩相流在流量較大時(shí)，流型為并行流，其相接觸面積遠(yuǎn)小于彈狀流且不具有內(nèi)循環(huán)作用，因而液-液并行流傳質(zhì)系數(shù)kLa較低；并行流流型下，氣相的引入使微通道內(nèi)形成氣-液-液三相彈狀流，此時(shí)油相與水相接觸面積增大，同時(shí)彈狀流的內(nèi)循環(huán)作用使相界面表面更新速度增大，從而使傳質(zhì)系數(shù)kLa顯著提高。

氣相流量分率α的增大可使kLa得到進(jìn)一步提高，這是由于隨著α的提高，液相表觀流速增大，內(nèi)循環(huán)作用得到強(qiáng)化，相界面表面更新速度進(jìn)一步提高；同時(shí)水相液滴變小，油水兩相接觸面積進(jìn)一步增大。

2.2.3流量比q對(duì)傳質(zhì)的影響

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在一定ReM及α條件下，q值的不同會(huì)對(duì)傳質(zhì)系數(shù)kLa有一定影響，在使用3種油水流量比的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)中，kLa(q=1∶1)>kLa(q=2∶1)>kLa(q=1∶2)。其中，α為40%時(shí)，q值對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響如圖10所示。

圖10　α=40%時(shí)q對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響Fig.10　The influence of q on kLa with α=40%

油水兩相流量比q=1∶1時(shí)，由于流量的接近有利于油水兩相的充分接觸，因而傳質(zhì)系數(shù)較高；q=2∶1時(shí)，在3種流量比中所形成的分散相液滴最小，油水兩相的接觸也較為充分；q=1∶2時(shí)，由圖5可知，由于水相流量較大，在氣-液-液彈狀流形成過程中發(fā)生氣泡的斷裂，在斷裂后的2段氣泡之間形成一段水彈，該水彈兩端都與氣相距離較近，這影響了該段水彈與油相的充分接觸，因而q=1∶2時(shí)的傳質(zhì)系數(shù)在3種流量比中最低。

2.2.4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合

由于液-液兩相時(shí)流型與氣-液-液三相時(shí)不同，使用式(13)分別對(duì)液-液并行流與氣-液-液彈狀流的傳質(zhì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行多元非線性擬合，式(14)、式(15)分別為液-液并行流與氣-液-液彈狀流時(shí)，kLa與各因素的關(guān)系式。α=0%時(shí)，將Reg=0代入式(14)計(jì)算出的kLa*大于式(15)計(jì)算出的kLa，其比值kLa*/kLa可視為氣相流量分率α趨近于0時(shí)流型的改變對(duì)傳質(zhì)過程的強(qiáng)化作用。

(13)

(14)

(15)

使用式(14)、式(15)得出的傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算值(kLa)cal與實(shí)驗(yàn)值(kLa)exp的對(duì)比如圖11所示。由圖11可知，兩式可較好的擬合kLa與各因素的關(guān)系。

圖11　(kLa)cal與(kLa)exp對(duì)比圖Fig.11　The comparison of (kLa)cal and (kLa)exp

3　結(jié)論

使用雙T型微通道，研究了油水兩相流量比q及氣相流量分率α等因素對(duì)液-液兩相流的流型及傳質(zhì)的影響，并獲得了傳質(zhì)系數(shù)kLa的計(jì)算式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：

1)第一T型接口處氣相的引入所帶來的氣相剪切作用促進(jìn)第二T型接口處分散相液滴的形成，可使液-液并行流轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液-液彈狀流，氣相流量分率α的增大可使分散相的尺寸減小。

2)有機(jī)相與水相流量比q對(duì)流型與傳質(zhì)均有顯著影響，q值較小時(shí)，分散相形成的液滴尺寸較大，同時(shí)氣-液-液彈狀流形成過程中會(huì)發(fā)生水相對(duì)氣彈的切割，被切割氣彈之間形成與氣相接觸較密切的水彈，從而影響油水兩相的充分接觸而降低傳質(zhì)系數(shù)。

3)液-液并行流隨氣相的引入轉(zhuǎn)變?yōu)闅?液-液彈狀流時(shí)，由于油水兩相接觸面積的增大及彈狀流的內(nèi)循環(huán)作用，傳質(zhì)系數(shù)kLa獲得顯著提高。氣相流量分率α的增大在減小分散相尺寸的同時(shí)可提高流體表觀流速而強(qiáng)化內(nèi)循環(huán)作用，從而進(jìn)一步強(qiáng)化傳質(zhì)。

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