微通道中氣-液-液三相流流型及傳質研究

荀　濤，蔡旺鋒，張旭斌

(天津大學化工學院，天津 300350)

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

由于微通道特征尺寸小，液-液兩相流的流動形式通常為層流，兩相界面受流動狀況和界面張力影響，微通道內可形成彈狀流、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，由于彈狀流存在內循環(huán)作用，相界面的表面更新速率大大提高，傳質效率較傳統(tǒng)反應器顯著提高；彈狀流轉變?yōu)椴⑿辛鳡顟B(tài)時，相接觸面積降低，內循環(huán)作用消失，傳質效率降低[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分散相液滴的形成。

本研究使用雙T型微通道，采用體積分數(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，研究氣相的引入對微通道中液-液兩相流的流型及傳質的影響，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　實驗部分

1.1　流型研究

實驗裝置如圖1所示。首先，關閉氣相入口，使用CCD高速攝像機對有機玻璃(PMMA)微通道內液-液兩相流流型進行拍攝，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對流型的影響。流型研究及隨后的傳質研究過程中，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數(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。實驗體系物性如表1所示。

圖1　實驗裝置圖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有機相821709470空氣12052593×10-2

1.2　傳質研究

傳質實驗所用實驗裝置與流型實驗相同。使用30%TBP的環(huán)己烷溶液為有機相，濃度為3.33×10-2mol/L的乙酸水溶液為水相，空氣為氣相進行氣-液-液三相流中液-液萃取實驗，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液-液傳質的影響。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溶液對萃取后的水相進行滴定，確定傳質量，同時，測定乙酸在油相與水相中的分配系數(shù)(0.776)，進而計算傳質系數(shù)kLa。

2　實驗結果與討論

2.1　流型研究

2.1.1氣相的引入對流型的影響

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-液兩相流流型會由彈狀流或滴狀流轉變?yōu)椴⑿辛?。且油水兩相流量比q對流型的影響較大，q越大越易形成彈狀流或滴狀流。q=4∶1時，隨總流量的增大流型由彈狀流轉變?yōu)榈螤盍魅缓笤俎D變?yōu)椴⑿辛鳌?/p>

圖3為使用CCD高速攝像機拍攝的q=1時液-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，微通道中可形成穩(wěn)定的液-液彈狀流。由表1可知，有機相與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，油相為連續(xù)相，水相為分散相。

兩相流量同時增加至0.4 mL/min時，微通道內流型如圖3(b)所示，此時流型由較低流量時的彈狀流變?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。

實際上，在整個實驗條件變化范圍內，向液-液兩相流中引入氣相后，微通道內均可以形成氣-液-液三相彈狀流。實驗證明，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實驗條件范圍內，研究了氣相流量分率α及油水兩相流量比q對流型的影響。實驗過程中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，如圖5所示，由于水相流量較大，油相對水相的剪切作用不足以形成液彈，氣相對水相的剪切作用會形成一段較大的液彈；同時，氣-液-液彈狀流形成過程中會伴隨氣泡的斷裂，在斷裂的氣泡之間會形成水相液彈，且該液彈與氣相距離較近。

圖4　q=1∶1時氣-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

在實驗條件范圍內，通過CCD攝像機所拍攝流型圖發(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，有機相與氣相的表觀流速增大，對水相的剪切作用增強。其中，Qor=0.533 mL/min，Qaq=0.267 mL/min時，氣相流量分率α對液滴尺寸的影響如圖6所示。

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

2.2　傳質研究

2.2.1雷諾數(shù)及傳質系數(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ρaq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算，通常使用總體積傳質系數(shù)kLa來衡量傳質速率，其定義式為式(11)[14]。

(11)

對式(9)積分可得kLa的計算式：

(12)

式(11)與式(12)中，V為微通道傳質段中油相體積，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對傳質的影響

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

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

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

圖9　q=1∶2時氣相流量分率對傳質系數(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，在傳質實驗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，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?，因此，圖7中未加入氣相時，傳質系數(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，傳質實驗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，氣相的引入可顯著提高傳質系數(shù)kLa；且隨著氣相流量分率α的增大，kLa可得到進一步的提高。

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

氣相流量分率α的增大可使kLa得到進一步提高，這是由于隨著α的提高，液相表觀流速增大，內循環(huán)作用得到強化，相界面表面更新速度進一步提高；同時水相液滴變小，油水兩相接觸面積進一步增大。

2.2.3流量比q對傳質的影響

實驗發(fā)現(xiàn)，在一定ReM及α條件下，q值的不同會對傳質系數(shù)kLa有一定影響，在使用3種油水流量比的傳質實驗中，kLa(q=1∶1)>kLa(q=2∶1)>kLa(q=1∶2)。其中，α為40%時，q值對傳質系數(shù)的影響如圖10所示。

圖10　α=40%時q對傳質系數(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，由于流量的接近有利于油水兩相的充分接觸，因而傳質系數(shù)較高；q=2∶1時，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，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時的傳質系數(shù)在3種流量比中最低。

2.2.4實驗數(shù)據擬合

由于液-液兩相時流型與氣-液-液三相時不同，使用式(13)分別對液-液并行流與氣-液-液彈狀流的傳質實驗數(shù)據進行多元非線性擬合，式(14)、式(15)分別為液-液并行流與氣-液-液彈狀流時，kLa與各因素的關系式。α=0%時，將Reg=0代入式(14)計算出的kLa*大于式(15)計算出的kLa，其比值kLa*/kLa可視為氣相流量分率α趨近于0時流型的改變對傳質過程的強化作用。

(13)

(14)

(15)

使用式(14)、式(15)得出的傳質系數(shù)計算值(kLa)cal與實驗值(kLa)exp的對比如圖11所示。由圖11可知，兩式可較好的擬合kLa與各因素的關系。

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

3　結論

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等因素對液-液兩相流的流型及傳質的影響，并獲得了傳質系數(shù)kLa的計算式。實驗結果表明：

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第二T型接口處分散相液滴的形成，可使液-液并行流轉變?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)有機相與水相流量比q對流型與傳質均有顯著影響，q值較小時，分散相形成的液滴尺寸較大，同時氣-液-液彈狀流形成過程中會發(fā)生水相對氣彈的切割，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系數(shù)。

3)液-液并行流隨氣相的引入轉變?yōu)闅?液-液彈狀流時，由于油水兩相接觸面積的增大及彈狀流的內循環(huán)作用，傳質系數(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可提高流體表觀流速而強化內循環(huán)作用，從而進一步強化傳質。

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