国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

液-液兩相體系特性與非水介質(zhì)體系傳質(zhì)的研究進(jìn)展

2021-11-28 10:45施文華裴劉軍張紅娟王際平朱斐超
絲綢 2021年11期
關(guān)鍵詞:液滴黏度流體

施文華 裴劉軍 張紅娟 王際平 朱斐超

摘要:

印染行業(yè)中,染料一般由水相傳遞至纖維固體相,而影響染料在兩相中傳遞的因素很多。為了研究染料的傳遞過(guò)程,文章簡(jiǎn)化了較多的因素,采用理想化的模型進(jìn)行研究。綜述了微通道中液-液兩相流的最新研究進(jìn)展,識(shí)別流體在各種條件下運(yùn)行的流型,并分析影響流型的因素。探究了液-液兩相流中的傳質(zhì),特別是液滴流中的傳質(zhì)。討論了在非水介質(zhì)染色體系中活性染料向棉纖維的擴(kuò)散過(guò)程,提出了液-液兩相流研究在非水介質(zhì)染色體系中的未來(lái)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:

微通道;流型;液-液兩相流動(dòng);傳質(zhì);非水介質(zhì)染色體系

中圖分類(lèi)號(hào): TS193.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A

文章編號(hào): 10017003(2021)11001008

引用頁(yè)碼: 111103

DOI: 10.3969/j.issn.1001-7003.2021.11.003

Research progress on the characteristics of liquid-liquid two-phase system andmass transfer in non-aqueous media system

SHI Wenhua1,2, PEI Liujun1,2, ZHANG Hongjuan1,2, WANG Jiping1,2, ZHU Feichao3

(1.Engineering Research Center of Textile Chemistry and Clean Production, Shanghai 201620, China; 2.School of Textiles and Fashion, Shanghai Universityof Engineering Science, Shanghai 201620, China; 3.School of Textile Science and Engineering(International Institute of Silk),Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China)

Abstract:

In the printing and dyeing industry, dyes are generally transferred from the aqueous phase to the fiber solid phase, and a lot of factors affect the transfer of dyes in the two phases. To investigate the transfer process of dyes, many factors are simplified in this paper for study using an idealized model. This paper reviewed the latest research progress in the liquid-liquid two-phase flow in microchannels, identified the flow patterns of fluids under various conditions, and analyzed the factors affecting the flow patterns. Then, this paper studied the mass transfer in liquid-liquid two-phase flow, especially the mass transfer in liquid droplet flow, discussed the diffusion process of reactive dyes to cotton fiber in non-aqueous media dyeing system, and proposed the future application of liquid-liquid two-phase flow in non-aqueous media dyeing system.

Key words:

microchannel; flow pattern; liquid-liquid two-phase flow; mass transfer; non-aqueous media dyeing system

基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(22072089);“十三五”國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目(2017YFB0309600);新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)重大科技項(xiàng)目(2019AAA001)

作者簡(jiǎn)介: 施文華(1997),男,碩士研究生,研究方向?yàn)槲锢砘瘜W(xué)。通信作者:裴劉軍,副教授,peilj@sues.edu.cn。

近幾十年來(lái),由于微流體系統(tǒng)的突出特點(diǎn),例如流體運(yùn)行體積小、安全性高、易于控制及精確的傳熱和傳質(zhì)性能,引來(lái)研究者對(duì)微流體系統(tǒng)的關(guān)注日益增加。在微流體系統(tǒng)中,最常見(jiàn)的兩相流是氣-液流和液-液流。在微觀尺度上,與慣性力和重力相比,微流體兩相流的表面張力更為主要[1]。微流體兩相間的流動(dòng)特性與常規(guī)尺度下有較大差別,產(chǎn)生了多種界面現(xiàn)象,流動(dòng)過(guò)程復(fù)雜[2]。不同的條件下,在氣-液兩相流和液-液兩相流系統(tǒng)中觀察到不同的流態(tài),例如氣-液兩相中存在氣泡流、泰勒流、彈狀氣泡流、彈狀環(huán)形流、攪動(dòng)流和環(huán)形流等,而液-液兩相中存在液滴流、彈狀流、界面流、環(huán)形流和平行流等[3]。為了精確地控制微通道兩相流動(dòng),已經(jīng)進(jìn)行了許多研究以確定微流體系統(tǒng)的最佳參數(shù)。這些參數(shù)主要分為兩個(gè)方面:微流體裝置的參數(shù)優(yōu)化,包括結(jié)構(gòu)優(yōu)化和尺寸優(yōu)化;流體的參數(shù)優(yōu)化,包括兩相特性優(yōu)化和兩相速度優(yōu)化[3]。液-液兩相流在微流體系統(tǒng)中占有重要地位。本文綜述了微通道中液-液兩相流動(dòng)的機(jī)理和傳質(zhì)過(guò)程,探討了其在非水介質(zhì)染色體系中的應(yīng)用。首先,明確在不同條件下觀察到的流型,并分析影響流型的原因。然后,討論了液-液兩相流中,特別是液滴流中的傳質(zhì)過(guò)程。最后,探討了活性染料在非水介質(zhì)染色體系微通道中的傳質(zhì)過(guò)程,提出了液-液兩相流研究在非水介質(zhì)染色體系中的未來(lái)應(yīng)用。

1 液-液兩相流中液滴的形成

流體的流動(dòng)方式取決于環(huán)境中各種力的相互作用,包括慣性力、重力、黏性力和表面張力[1]。微通道中,連續(xù)相和分散相相互作用,其中表面張力的作用更占優(yōu)勢(shì),使得微通道中的液-液兩相流更加可控[1]。Xu等[4]將液滴的形成機(jī)制可以分為擠壓、過(guò)渡和滴落三個(gè)區(qū)域,后來(lái)許多研究者也認(rèn)可擠壓與滴落這兩種形成機(jī)制[5-8]。在擠壓狀態(tài)下,液滴的形成過(guò)程主要由新出現(xiàn)的液滴上游壓力的積累決定。在這種情況下,液滴長(zhǎng)度大于微通道寬度,流型主要是彈狀流。在滴落狀態(tài)下,液滴的形成過(guò)程主要受施加在液滴尖端的剪切應(yīng)力支配。通常,在滴落狀態(tài)下的液滴長(zhǎng)度小于微通道寬度,流型是液滴流。彈狀流和液滴流都比其他流型更穩(wěn)定。圖1是從微通道中觀察到的微流體典型流型[9]。

2 不同條件下的流型

流型取決于微通道的特征、兩相的物理特性和兩相的流速。為了識(shí)別不同條件下的流型,研究者進(jìn)行了大量的探索研究。

2.1 微通道特征對(duì)流型的影響

2.1.1 材料對(duì)流型的影響

材料對(duì)流型的影響主要是由于相對(duì)壁面潤(rùn)濕性能的不同,即相與壁面接觸角的不同而造成的,接觸角的大小由相的性質(zhì)和微通道材料決定。Salim等[10]測(cè)量了油滴在石英和玻璃上的接觸角分別為12°和3°,而水滴在石英和玻璃上的接觸角分別為42°和38°。Xu等[11]研究了正辛烷-水體系的流動(dòng)行為,在水中加入不同量的十二烷基硫酸鈉(SDS),會(huì)改變油相的接觸角。結(jié)果表明,隨著十二烷基硫酸鈉(SDS)的加入,共混物的接觸角增大。當(dāng)SDS質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)臨界膠束質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0.05%)時(shí),接觸角增大到90°以上。當(dāng)接觸角大于90°時(shí),可以形成有序的液滴??梢钥闯觯嗟男再|(zhì)和微通道材料的不同會(huì)造成相與壁面接觸角的不同,接觸角的改變使得所得到的流型也不同。

2.1.2 微通道入口結(jié)構(gòu)對(duì)流型的影響

微通道最常見(jiàn)的入口結(jié)構(gòu)有T形、Y形和十字形[12]。研究者采用格子Boltzmann偽勢(shì)模型,模擬了T型微通道內(nèi)液-液兩相流動(dòng),不同工況下會(huì)出現(xiàn)彈狀流、單液滴、液滴群、平整平行流和波狀平行流等五種流型[9]。Dessimoz等[13]在水-甲苯體系中對(duì)Y形和T形微通道中的流型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),在實(shí)驗(yàn)所用的所有體積流速下,Y形總是導(dǎo)致平行流,而在T形微通道中則形成段塞流。為了識(shí)別具有不同截面和接觸幾何的微通道中的流型,Kashid等[14]設(shè)計(jì)了四種不同的微通道,分別命名為T(mén)方形、T梯形、Y矩形和同心形,如圖2所示。在所有被測(cè)微通道中都觀察到了彈狀流、變形界面流和平行/環(huán)狀流。此外,研究者還通過(guò)模擬,開(kāi)發(fā)了一個(gè)液滴形成的非定常模型,設(shè)計(jì)了如圖3所示的稱(chēng)為同向流動(dòng)和聚焦流動(dòng)的軸對(duì)稱(chēng)微通道[15]。在兩個(gè)微通道中都觀察到了液滴流和噴射流,發(fā)現(xiàn)同向流動(dòng)微通道在產(chǎn)生單分散液滴方面具有很大的優(yōu)勢(shì),而聚焦微通道在產(chǎn)生頻率較高的液滴方面表現(xiàn)良好[16]。由此可見(jiàn),微通道入口結(jié)構(gòu)的不同也會(huì)對(duì)流型造成影響。

2.2 物理特性對(duì)流型的影響

兩相的物理特性包括兩相的密度、兩相的黏度和界面張力。在微觀尺度上,慣性力和重力的重要性較低,這意味著密度的影響可以忽略不計(jì)。為了研究?jī)上囵ざ群徒缑鎻埩?duì)流型的影響,研究者進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)與模擬。

2.2.1 黏度對(duì)流型的影響

液-液兩相流中的黏度主要是指分散相黏度與連續(xù)相黏度。此外,牛頓流體和非牛頓流體的黏度對(duì)流型有不同的影響[17]。對(duì)于牛頓體系,Liu等[18]研究了兩相黏度比對(duì)流型的影響。結(jié)果表明,對(duì)于某一臨界毛細(xì)管數(shù)(Cac=0.018),只有當(dāng)Ca>Cac時(shí),黏度比(分散相比連續(xù)相)才會(huì)影響液滴尺寸,且液滴尺寸隨黏度比的增大而減小。Gupta等[5]分析了連續(xù)相黏度對(duì)流型的影響。結(jié)果表明,在較大的流量比(Ф=1/5)下,隨著連續(xù)相黏度的增加,液滴液面由平行液膜向液滴液膜轉(zhuǎn)變。較高的連續(xù)相黏度對(duì)液滴流更有利。Feigl等[19]研究了分散相黏度對(duì)流型的影響,通過(guò)增加分散相黏度,實(shí)現(xiàn)了λ=6的恒黏比。分散相速度保持在0.011 m/s,隨著分散相黏度的增加,流型由液滴流轉(zhuǎn)變?yōu)閲娚淞鳌R3忠旱瘟?,?yīng)將分散相速度降至0.001 1 m/s以下[7]??紤]到非牛頓流體同牛頓流體的差異,Kimura等[20]研究了連續(xù)相黏度對(duì)液滴尺寸的影響,同時(shí)兼顧了牛頓流體和非牛頓流體。結(jié)果發(fā)現(xiàn)在牛頓流體和冪律流體中,連續(xù)相黏度的增加減小了液滴尺寸,在賓漢流體中,連續(xù)相黏度的增加對(duì)液滴大小的影響較小,黏度變化960%僅使液滴大小變化4%。由此可見(jiàn),較高的連續(xù)相黏度對(duì)液滴流更有利,而較高的分散相黏度對(duì)液滴流不利。此外,不同流體(牛頓與非牛頓流體)也會(huì)產(chǎn)生不同的流型。

2.2.2 界面張力與流速對(duì)流型的影響

界面張力與液-液兩相流中兩相的性質(zhì)相關(guān)。研究者在水和甲苯中加入溶質(zhì),改變體系的界面張力[21]。結(jié)果發(fā)現(xiàn),在較低的界面張力下,流型以平行流為主,隨著界面張力的增加,觀察到彈狀流。結(jié)果表明,在界面張力最高的水/甲苯體系中,段塞流占主導(dǎo)地位,隨著界面張力的降低,平行流現(xiàn)象更加明顯??梢钥闯觯S著界面張力的降低,流型由段塞流向平行流過(guò)渡。

流速是影響流型的一個(gè)重要參數(shù),它可以很容易改變,以實(shí)現(xiàn)各種流型。通常,在兩相的低流速下,更容易觀察到段塞流。當(dāng)連續(xù)相流速增加而分散相流速保持不變時(shí),出現(xiàn)液滴流。相反,當(dāng)分散相流速增加而連續(xù)相流速保持不變時(shí),出現(xiàn)平行流[22]。

3 微通道中液-液兩相流的傳質(zhì)

在不同流型下,影響液-液兩相間溶質(zhì)傳質(zhì)的主要因素有:兩相間比截面面積的大小,兩相間界面更新速率大小等[22]。在上述的所有流型中,液滴流和彈狀流由于液滴/彈狀流內(nèi)部循環(huán)的存在和較大的比界面面積,在傳質(zhì)性能上具有很大的優(yōu)勢(shì)?,F(xiàn)對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行詳細(xì)闡述,在下面的描述中,液滴用于表示液滴流和段塞流。

3.1 傳質(zhì)性能的提高

3.1.1 液滴中的內(nèi)循環(huán)

液滴沿著微通道運(yùn)動(dòng)時(shí),在徑向和軸向都存在速度梯度。前者是由于壁面的剪切力,流體在微通道中彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生徑向速度梯度,速度從微通道的軸向到壁面逐漸減小;而后者是由于連續(xù)相的相互作用引起的[23]。因此,速度梯度會(huì)引起內(nèi)部環(huán)流,內(nèi)循環(huán)促進(jìn)了表面更新,減小了相界面處的邊界層厚度,從而提高了傳質(zhì)性能。

3.1.2 比界面面積

液滴的流動(dòng)模式提供了一個(gè)均勻的界面區(qū)域,顯著地促進(jìn)了物質(zhì)的傳質(zhì)過(guò)程。此外,均勻的界面面積使預(yù)測(cè)總體積傳質(zhì)系數(shù)成為可能。在液滴流中,比界面面積定義為液滴表面積與單位晶胞體積之比。確定特定界面面積的方法可分為物理法和化學(xué)法[24]。對(duì)于物理測(cè)量,最常用的方法是光誘導(dǎo)熒光結(jié)合照相,通過(guò)拍攝高分辨率的圖像,可以計(jì)算出液滴的表面積和單位體積,并得到比界面面積。然而,主要的困難在于液滴形狀的簡(jiǎn)化和液膜厚度的測(cè)量。圖4為帶和不帶液膜的微通道中液滴流示意,其中Ld、LU、R、w和h表示液滴長(zhǎng)度、液滴單位長(zhǎng)度、液滴帽半徑、微通道寬度和液膜厚度。一般來(lái)說(shuō),對(duì)于圖4所示形狀規(guī)則的液滴,可以被認(rèn)為是立方體和半球形狀的組合[25]。最常用的預(yù)測(cè)液膜厚度的方法是由Bretherton提出的,Bretherton定律認(rèn)為毛細(xì)管數(shù)是決定薄膜厚度的重要因素。

3.2 不同條件下的傳質(zhì)效率

3.2.1 微通道尺寸對(duì)傳質(zhì)效率的影響

對(duì)于特定的兩相體系,微通道尺寸對(duì)傳質(zhì)性能有著重要的影響。通常,小尺寸的微通道在提高物質(zhì)的傳質(zhì)效率方面表現(xiàn)更好[26]。減小微通道尺寸有利于液滴形成更大的比界面面積,縮短傳質(zhì)長(zhǎng)度。Ghaini等[24]用物理和化學(xué)方法研究了毛細(xì)管內(nèi)徑對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響,結(jié)果表明,毛細(xì)管直徑越小,傳質(zhì)系數(shù)越大。例如,在水相流速為70 mL/h的恒定條件下,毛細(xì)管直徑為1 000、750 μm和500 μm時(shí)的總體積傳質(zhì)系數(shù)KLa分別為1.00、1.28 s-1和1.58 s-1。這是由于兩相之間的比界面面積不同而造成的,微通道尺寸越小,比界面面積越大[25]。Matsuoka等[27]研究了水力直徑對(duì)傳質(zhì)效率的影響,設(shè)計(jì)了水力當(dāng)量直徑范圍為600~2 000 μm的圓形和半圓形微通道,實(shí)現(xiàn)了從十二烷到水的苯酚的液-液萃取。在相同雷諾數(shù)下,圓形和半圓形微通道內(nèi)的體積傳質(zhì)系數(shù)均隨水力當(dāng)量直徑的減小而增大。多個(gè)實(shí)驗(yàn)均表明,微通道的尺寸越小,液-液兩相流中的傳質(zhì)效率越高。

3.2.2 微通道結(jié)構(gòu)對(duì)傳質(zhì)效率的影響

微通道結(jié)構(gòu)主要包括入口通道的構(gòu)型和主通道的構(gòu)型,是提高傳質(zhì)效率的關(guān)鍵。

入口通道的構(gòu)型主要影響液滴形成過(guò)程中的傳質(zhì)效率。為了確定不同微通道的傳質(zhì)效率,研究人員設(shè)計(jì)了多種入口結(jié)構(gòu)的微通道進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),包括T方形、T梯形、Y矩形、矩形、同心形和履帶式微通道等[14]。其中,履帶式微通道是一種具有內(nèi)底浮雕結(jié)構(gòu)的微通道(圖5),而其他幾種微通道沒(méi)有內(nèi)部結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明,履帶式微通道由于其內(nèi)部的基本起伏結(jié)構(gòu)而具有最佳的性能。與其他微通道相比,內(nèi)部基本浮雕結(jié)構(gòu)的存在產(chǎn)生了相當(dāng)多的細(xì)小分散,并提供了更高的比界面面積[28]。與非結(jié)構(gòu)化微通道相比,履帶式微通道的總體積傳質(zhì)系數(shù)比同心微通道高出近1個(gè)數(shù)量級(jí),是其他種類(lèi)微通道的2~3倍[29]??梢钥闯觯⑼ǖ赖娜肟诮Y(jié)構(gòu)影響液滴形成過(guò)程中的比界面面積,從而影響整體的傳質(zhì)效率。

液滴沿著微通道運(yùn)動(dòng)時(shí),主通道的構(gòu)型對(duì)傳質(zhì)效率起主導(dǎo)作用。當(dāng)液滴沿著微通道移動(dòng)時(shí),基于曲率的微通道和基于障礙物的微通道是用于提高傳質(zhì)效率的兩種主要類(lèi)型。圖6[30]顯示了蛇形截面上液滴前后傳質(zhì)效率的變化??梢钥闯觯谝旱未┻^(guò)蛇形截面之前,傳質(zhì)效率約為7%~8%。然而,當(dāng)液滴移出轉(zhuǎn)彎時(shí),混合效率達(dá)到36%。蛇形截面由于液滴內(nèi)循環(huán)的變形,極大地提高了傳質(zhì)效率。Aoki等[31]對(duì)具有擴(kuò)張和收縮結(jié)構(gòu)的微通道的萃取率進(jìn)行了檢測(cè),如圖7所示。結(jié)果表明,在總流速不變,10 mL/min和20 mL/min的情況下,具有擴(kuò)張結(jié)構(gòu)的微通道的萃取率高于具有收縮結(jié)構(gòu)的微通道。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果均直接或間接表明,當(dāng)液滴沿著微通道運(yùn)動(dòng)時(shí),微通道結(jié)構(gòu)的變化會(huì)影響傳質(zhì)效率。

3.2.3 流速對(duì)傳質(zhì)效率的影響

隨著總流速的增加,液滴速度越高,內(nèi)循環(huán)強(qiáng)化越明顯,傳質(zhì)效率顯著提高[32]。無(wú)論是在液滴流還是在平行流,隨著總流速的增加,總的體積傳質(zhì)系數(shù)都會(huì)相應(yīng)地增大。然而,值得強(qiáng)調(diào)的是,在液滴流區(qū)域,總體積傳質(zhì)系數(shù)以較高的速率增大。當(dāng)過(guò)渡到平行流時(shí),增長(zhǎng)速度會(huì)降低[33]。這是由于液滴流特殊的比界面面積和強(qiáng)烈的內(nèi)循環(huán),這突出了液滴流在傳質(zhì)性能方面的優(yōu)越性。因此,當(dāng)液滴通過(guò)微通道時(shí),在其他條件一定的情況下,最大限度地利用內(nèi)循環(huán)可以獲得最佳的傳質(zhì)性能。

3.3 染料在微通道非水介質(zhì)體系中的傳質(zhì)

近年來(lái),研究者對(duì)非水介質(zhì)染色體系中如何有效控制染色的勻染性進(jìn)行了大量研究[34],但非水介質(zhì)染色體系內(nèi)分子間的相互作用不同于傳統(tǒng)水浴染色。非水介質(zhì)染色改變了傳統(tǒng)染色思路,基于親水性染料在攜帶水膜的纖維和非水介質(zhì)兩相間的分配關(guān)系,染料以懸浮微?;蛉榛母邼舛热疽何⒌畏植荚谌旧橘|(zhì)中,并隨介質(zhì)不斷運(yùn)行、反復(fù)和充分地接觸纖維表面水膜,使染料顆粒或染液微滴中不斷有單分子染料被水膜俘獲(萃?。┒芙庠谒ぶ?,進(jìn)而由纖維表面的水膜擴(kuò)散到纖維內(nèi)部[35]。因此,活性染料在非水介質(zhì)染色體系中的擴(kuò)散可以認(rèn)為先從非水介質(zhì)相擴(kuò)散到水相,再由水相擴(kuò)散到纖維固體相,且影響微通道內(nèi)流型及傳質(zhì)的因素可能也會(huì)影響非水介質(zhì)染色體系內(nèi)的染料擴(kuò)散。染料在非水介質(zhì)染色體系多相流動(dòng)中擴(kuò)散滿足三大守恒定律,即質(zhì)量守恒、動(dòng)量守恒和能量守恒[36]。研究非水介質(zhì)染色體系中的流場(chǎng)特征,計(jì)算域內(nèi)流體狀態(tài)視為不可壓縮的湍流。

式中:Gk為湍流的產(chǎn)生項(xiàng),k-ω模型中的各個(gè)系數(shù)根據(jù)參考文獻(xiàn)可以查出。

湍流模型的選取與幾何模型和流動(dòng)情形有關(guān),通過(guò)對(duì)比染料在穩(wěn)態(tài)狀況下湍流模型對(duì)PAT流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果的影響,發(fā)現(xiàn)k-ε模型的數(shù)值預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)最為吻合[38-39]。因此,可以根據(jù)流體體積函數(shù)法(VOF)的CFD數(shù)值模擬方法,捕捉染料在非水介質(zhì)相-水相界面的流動(dòng)。

假設(shè)活性染料在非水介質(zhì)染色體系中的擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)方程均遵守菲克定律[40],但在非水介質(zhì)染色體系內(nèi),以菲克第一定律實(shí)測(cè)染料濃度在纖維內(nèi)部的變化速率時(shí),由于活性染料在非水介質(zhì)染色體系內(nèi)是一種多相的擴(kuò)散過(guò)程,所以很難建立以染料上染率隨時(shí)間和溫度變化的數(shù)學(xué)模型。在菲克第二定律基礎(chǔ)上,國(guó)內(nèi)外染料應(yīng)用學(xué)者進(jìn)行的染色動(dòng)力學(xué)經(jīng)典方程式見(jiàn)表1。

表1列出了不同邊界條件和初始條件下的染料擴(kuò)散模型。其中,Mc Bain方程[22]和Hill方程假設(shè)都是在無(wú)限浴比水浴染色環(huán)境下活性染料對(duì)纖維的擴(kuò)散方程,而非水介質(zhì)染色體系內(nèi),水的用量只有纖維重的1~2倍[35],不可能是無(wú)限

浴比的水浴染色環(huán)境。另外,Grank方程假定非無(wú)限染浴,染料濃度在擴(kuò)散過(guò)程中始終在變化,但在非水介質(zhì)染色體系內(nèi),“單向傳遞”過(guò)程中,染料濃度隨染色時(shí)間變化較快,一旦活性染料全部吸附至纖維表面達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡時(shí),染料濃度基本不再變化,所以,該模型很難應(yīng)用在非水介質(zhì)染色體系內(nèi)。對(duì)于Vickerstaff方程和Frensdorff方程,假設(shè)的染料濃度是在擴(kuò)散過(guò)程中的初始或結(jié)束階段為條件,由于非水介質(zhì)染色體系內(nèi)活性染料的擴(kuò)散,是先從非水介質(zhì)相擴(kuò)散至纖維表面的水相,再由纖維表面的水浴體系擴(kuò)散到纖維內(nèi)部的。對(duì)非水介質(zhì)染色體系而言,染色體系中存在“單向傳遞”過(guò)程,染色體系中的超分子作用及染料聚集行為和非水介質(zhì)-水-纖維三相染料的分子排列、分配機(jī)制都會(huì)影響染料的擴(kuò)散。因此,設(shè)計(jì)合理的活性染料在非水介質(zhì)染色體系中的分子擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)模型,獲取有效的非水介質(zhì)、纖維和染料分子結(jié)構(gòu)參數(shù),合理選擇非水介質(zhì)及表面活性劑來(lái)有效減緩活性染料“單向傳遞”速率,是非水介質(zhì)染色關(guān)鍵技術(shù)亟需解決的問(wèn)題。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文綜述了微通道內(nèi)液-液兩相流的流型與傳質(zhì)影響因素,并結(jié)合非水介質(zhì)染色體系內(nèi)染料的擴(kuò)散,得到了如下結(jié)論:

1) 影響微通道液-液兩相流流型的因素主要包括微通道材料、微通道結(jié)構(gòu)、流速及兩相的黏度與界面張力,并且這幾種因素相互影響,最終決定流型。

2) 影響微通道液-液兩相流傳質(zhì)效率的因素主要有微通道尺寸與結(jié)構(gòu)及流速,一定條件下,微通道尺寸越小、內(nèi)部結(jié)構(gòu)越精細(xì)、流速越大,流體的內(nèi)循環(huán)越明顯,傳質(zhì)效率越高。

3) 非水介質(zhì)染色體系內(nèi)染料的擴(kuò)散,首先是從非水介質(zhì)相擴(kuò)散至纖維表面的水相,再由纖維表面的超微浴比水浴體系向纖維內(nèi)部的擴(kuò)散。因此,如何對(duì)染料上染纖維的過(guò)程配以較準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型,并能直觀地反應(yīng)染色曲線,是研究者未來(lái)所努力探索研究的方向。

4) 實(shí)驗(yàn)和模擬所涉及的液體主要是牛頓液體,然而牛頓流體是一個(gè)理想化的流體,因此需要對(duì)非牛頓液體進(jìn)行研究,以全面了解液-液兩相流。并且實(shí)驗(yàn)和模擬大多是在室溫下進(jìn)行的,然而有些液體性質(zhì)對(duì)溫度比較敏感,因此應(yīng)考慮溫度的變化。

5) 液滴中存在的內(nèi)部循環(huán)可分為兩部分:由與壁面相互作用引起的主循環(huán)和由與連續(xù)相相互作用引起的次循環(huán)。兩個(gè)循環(huán)路徑與液滴長(zhǎng)度之間是否存在相關(guān)性,值得進(jìn)一步研究。此外,膜厚對(duì)計(jì)算比界面面積有重要作用,盡管Bretherton定律已得到廣泛應(yīng)用,但確定薄膜厚度的方法仍需進(jìn)一步發(fā)展。

6) 研究液-液兩相流傳質(zhì)性能的數(shù)值模擬主要采用無(wú)反應(yīng)體系,傳質(zhì)效率用液滴中示蹤劑/物種/標(biāo)量分布的均勻性來(lái)表示,當(dāng)涉及反應(yīng)時(shí),沒(méi)有提供更好的指導(dǎo),因此,需要開(kāi)發(fā)更有效的模擬方法以更好地適應(yīng)實(shí)際工況。此外,在實(shí)際工作條件下,靈活的流體條件可能會(huì)增加流型的不穩(wěn)定性,導(dǎo)致不同的流型,因此,需要對(duì)過(guò)渡流型下的傳質(zhì)性能進(jìn)行研究。

參考文獻(xiàn):

[1]范曉光. 微通道內(nèi)蒸汽及混合蒸氣冷凝流動(dòng)與傳熱[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2012.

FAN Xiaoguang. Fluid Flow and Heat Transfer of Steam and Steam-Noncondensable Gas Mixtures Condensation in Microchannels[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2012.

[2]錢(qián)錦遠(yuǎn), 李曉娟, 吳贊, 等. 微通道內(nèi)液-液兩相流流型及傳質(zhì)的研究進(jìn)展[J]. 化工進(jìn)展, 2019, 38(4): 1624-1633.

QIAN Jinyuan, LI Xiaojuan, WU Zan, et al. Reseach progress on flow regimes and mass transfer of liquid-liqid two-phase flow in microchannels[J]. Chemical Progress, 2019, 38(4): 1624-1633.

[3]KASHID M N, RENKEN A, KIWI-MINSKER L. Gas-liquid and liquid-liquid mass transfer in microstructured reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(17): 3876-3897.

[4]XU J, LI S, TAN J, et al. Correlations of droplet formation in T-junction microfluidic devices: From squeezing to dripping[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2008, 5(6): 711-717.

[5]GUPTA A, KUMAR R. Flow regime transition at high capillary numbers in a microfluidic T-junction: Viscosity contrast and geometry effect[J]. Physics of Fluids, 2010, 22(12): 122001.

[6]HE P, BARTHS-BIESEL D, LECLERC E. Flow of two immiscible liquids with low viscosity in Y shaped microfluidic systems: Effect of geometry[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2009, 9(2): 293-301.

[7]WEHKING J D, GABANY M, CHEW L, et al. Effects of viscosity, interfacial tension, and flow geometry on droplet formation in a microfluidic T-junction[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2013, 16(3): 441-453.

[8]VAN LOO S, STOUKATCH S, KRAFT M, et al. Droplet formation by squeezing in a microfluidic cross-junction[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2016, 20(10): 146.

[9]QIAN J, LI X, WU Z, et al. A comprehensive review on liquid-liquid two-phase flow in microchannel: Flow pattern and mass transfer[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2019, 23(10): 116.

[10]SALIM A, FOURAR M, PIRONON J, et al. Oil-water two-phase flow in microchannels: Flow patterns and pressure drop measurements[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2008, 86(6): 978-988.

[11]XU J H, LUO G S, LI S W, et al. Shear force induced monodisperse droplet formation in a microfluidic device by controlling wetting properties[J]. Lab on a Chip, 2006, 6(1): 131-136.

[12]王曉軍, 張林, 吳蘇晨, 等. T型微通道內(nèi)液-液兩相流流型研究[J]. 高?;瘜W(xué)工程學(xué)報(bào), 2017, 31(1): 13-20.

WANG Xiaojun, ZHANG Lin, WU Suchen, et al. Study on liquid-liquid two-phase flow patterns in a T-shaped microchannel[J]. Journal of Chemical Engineering of Chinese University, 2017, 31(1): 13-20.

[13]DESSIMOZ A, CAVIN L, RENKEN A, et al. Liquid-liquid two-phase flow patterns and mass transfer characteristics in rectangular glass microreactors[J]. Chemical Engineering Science, 2008, 63(16): 4035-4044.

[14]KASHID M, KIWI-MINSKER L. Quantitative prediction of flow patterns in liquid-liquid flow in micro-capillaries[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2011, 50(10): 972-978.

[15]WU L, LIU X, ZHAO Y, et al. Role of local geometry on droplet formation in axisymmetric microfluidics[J]. Chemical Engineering Science, 2017, 163: 56-67.

[16]WANG W, LIU Z, JIN Y, et al. LBM simulation of droplet formation in micro-channels[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 173(3): 828-836.

[17]陳武鎧. 對(duì)流T型微通道內(nèi)液滴形成過(guò)程及液滴長(zhǎng)度的實(shí)驗(yàn)研究[D]. 濟(jì)南: 山東大學(xué), 2020.

CHEN Wukai. Experimental Study on Droplet Formation Process and Droplet Length in Convection T-junction Microchannel[D]. Jinan: Shandong University, 2020.

[18]LIU H, ZHANG Y. Droplet formation in a T-shaped microfluidic junction[J]. Journal of Applied Physics, 2009, 106(3): 131.

[19]FEIGL K, TANNER F X, HOLZAPFEL S, et al. Effect of flow type, channel height, and viscosity on drop production from micro-pores[J]. Chemical Engineering Science, 2014, 116: 372-382.

[20]KIMURA M, SHIMAMURA I, INOKUTI M. Double and Single Ionization of He by Slow Protons and Antiprotons[M]. Houston: AIP Conference Proceedings, 1995: 683-686.

[21]TIMUNG S, TIWARI V, SINGH A K, et al. Capillary force mediated flow patterns and non-monotonic pressure drop characteristics of oil-water microflows[J]. The Canadian Journal of Chemical Engineering, 2015, 93(10): 1736-1743.

[22]陳丹. 微通道內(nèi)液—液兩相流型和傳質(zhì)特性研究[D]. 天津: 天津大學(xué), 2012.

CHEN Dan. Liquid-Liquid Two-Phase Flow Patterns and Mass Transfer Characteristics in Microchannel[D]. Tianjin: Tianjin University, 2012.

[23]BURNS J R, RAMSHAW C. The intensification of rapid reactions in multiphase systems using slug flow in capillaries[J]. Lab on a Chip, 2001, 1(1): 10-15.

[24]GHAINI A, KASHID M N, AGAR D W. Effective interfacial area for mass transfer in the liquid-liquid slug flow capillary microreactors[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 2010, 49(4): 358-366.

[25]DI MICELI RAIMONDI N, PRAT L, GOURDON C, et al. Experiments of mass transfer with liquid-liquid slug flow in square microchannels[J]. Chemical Engineering Science, 2014, 105: 169-178.

[26]ZKAN A, ERDEM E Y. Numerical analysis of mixing performance in sinusoidal microchannels based on particle motion in droplets[J]. Microfluidics and Nanofluidics, 2015, 19(5): 1101-1108.

[27]MATSUOKA A, NOISHIKI K, MAE K. Experimental study of the contribution of liquid film for liquid-liquid Taylor flow mass transfer in a microchannel[J]. Chemical Engineering Science, 2016, 155: 306-313.

[28]ZHAO S, WANG W, ZHANG M, et al. Three-dimensional simulation of mixing performance inside droplets in micro-channels by Lattice Boltzmann method[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 207: 267-277.

[29]SATTARI-NAJAFABADI M, NASR ESFAHANY M, WU Z, et al. Hydrodynamics and mass transfer in liquid-liquid non-circular microchannels: Comparison of two aspect ratios and three junction structures[J]. Chemical Engineering Journal, 2017, 322: 328-338.

[30]QIAN J, LI X, WU Z, et al. Slug formation analysis of liquid-liquid two-phase flow in T-junction microchannels[J]. Journal of Thermal Science and Engineering Applications, 2019, 11(5): 051017.

[31]AOKI N, TANIGAWA S, MAE K. A new index for precise design and advanced operation of mass transfer in slug flow[J]. Chemical Engineering Journal, 2011, 167(2): 651-656.

[32]WANG J, WANG J, FENG L, et al. Fluid mixing in droplet-based microfluidics with a serpentine microchannel[J]. RSC Advances, 2015, 5(126): 104138.

[33]QIAN J, LI X, GAO Z, et al. Mixing efficiency analysis on droplet formation process in microchannels by numerical methods[J]. Processes, 2019, 7(1): 33.

[34]沈吉芳, 裴劉軍, 朱磊, 等. 硅基非水介質(zhì)染色體系中無(wú)機(jī)鹽對(duì)活性染料吸附動(dòng)力學(xué)的影響[J]. 浙江理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2021, 45(2): 172-177.

SHEN Jifang, PEI Liujun, ZHU Lei, et al. The influence of inorganic salts on adsorption kinetics of reactive dyes in silicon-based non-aqueous dyeing system[J]. Journal of Zhejiang Sci-Tech University (Natural Science Edition), 2021, 45(2): 172-177.

[35]裴劉軍, 劉今強(qiáng), 王際平. 活性染料非水介質(zhì)染色的技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用前景[J]. 紡織導(dǎo)報(bào), 2021, (5): 32-40.

PEI Liujun, LIU Jinqiang, WANG Jiping. Technology development and application prospect of non-aqueous medium dyeing with reactive dyes[J]. China Textile Leader, 2021, (5): 32-40.

[36]何川. CFD基礎(chǔ)及應(yīng)用[M]. 重慶: 重慶大學(xué)出版社, 2015: 45-78.

HE Chuan. CFD Foundation and Application[M]. Chongqing: Chongqing University Press, 2015: 45-78.

[37]王福軍. 流體機(jī)械旋轉(zhuǎn)湍流計(jì)算模型研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào), 2016, 47(2): 1-14.

WANG Fujun. Research progress of computational model for rotating turbulent flow in fluid machinery[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2016, 47(2): 1-14.

[38]張永波. 硅基非水介質(zhì)染色體系中活性染料水解、鍵合機(jī)理及密度泛函理論研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2018.

ZHANG Yongbo. Study of Hydrolysis, Bonding Mechanism and Density Functional Theory for Reactive Dyes in Siloxane Non-Aqueous Media Dyeing System[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2018.

[39]裴劉軍. 硅基非水介質(zhì)中活性染料微乳液染棉機(jī)理研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2017.

PEI Liujun. Study of Micro-Emulsion Reactive Dyeing for Cotton in Siloxane Non-Aqueous Medium[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2017.

[40]李深正. 滌綸纖維以D5為介質(zhì)的分散染料非水染色研究[D]. 杭州: 浙江理工大學(xué), 2012.

LI Shenzheng. Study on the Dyeing of Pet Fiber with Disperse Dyes in D5 Media[D]. Hangzhou: Zhejiang Sci-Tech University, 2012.

猜你喜歡
液滴黏度流體
射流過(guò)程中主液滴和伴隨液滴的形成與消除研究
山雨欲來(lái)風(fēng)滿樓之流體壓強(qiáng)與流速
鈉火分析程序-NACOM介紹
測(cè)試條件對(duì)橡膠改性瀝青黏度的影響分析
喻璇流體畫(huà)
內(nèi)燃機(jī)油黏度特性和分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)
考慮驅(qū)油影響因素的疏水締合聚合物黏度表征模型
猿與咖啡
色素液滴復(fù)原術(shù)
睡前一杯水可以預(yù)防腦血栓嗎
剑阁县| 平遥县| 田东县| 东兰县| 清徐县| 壤塘县| 呼和浩特市| 教育| 凤城市| 确山县| 禄丰县| 朝阳区| 鞍山市| 枣阳市| 塔城市| 阿拉尔市| 元朗区| 定南县| 山东省| 枣阳市| 台州市| 五大连池市| 海门市| 应用必备| 施甸县| 普安县| 襄樊市| 永靖县| 富宁县| 自贡市| 林州市| 上饶县| 扎赉特旗| 新邵县| 班戈县| 平定县| 宁德市| 毕节市| 类乌齐县| 伊通| 乐至县|