三維菱形結(jié)構(gòu)微通道內(nèi)氣液傳質(zhì)與強(qiáng)化

陳一宇，朱春英，付濤濤，馬友光

（天津大學(xué)化工學(xué)院，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072）

引 言

在工業(yè)過程中，化石燃料的燃燒產(chǎn)生了大量的CO2，導(dǎo)致了日益嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。因此，CO2吸收和捕集受到了國際社會(huì)的廣泛關(guān)注[1-3]。目前，“碳達(dá)峰，碳中和”已成為我國最緊迫的戰(zhàn)略和政治任務(wù)。然而，傳統(tǒng)CO2捕集設(shè)備普遍存在體積龐大、捕集效率低、吸收劑用量大的缺點(diǎn)。相比之下，微化工技術(shù)由于其傳熱傳質(zhì)效率高、比表面積大、操作安全、集成度高、可控性強(qiáng)等特點(diǎn)為CO2捕集提供了一種新的思路和方法[4-7]，并受到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度重視[8]。

由于微通道的微尺度效應(yīng)，流體的流動(dòng)大多為層流流動(dòng)，傳質(zhì)過程通常由分子擴(kuò)散控制。研究顯示，在微通道內(nèi)誘導(dǎo)渦流可以有效提高傳質(zhì)系數(shù)[9-11]。傳質(zhì)強(qiáng)化方法主要包括兩類：主動(dòng)方法和被動(dòng)方法。主動(dòng)方法例如機(jī)械攪拌[12-13]、超聲[14]、脈沖電場[15-16]等有較好的效果但需要額外的能量消耗，而且設(shè)備復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)。被動(dòng)方法通過設(shè)計(jì)和改變通道的幾何形狀誘導(dǎo)微通道內(nèi)流體的湍流流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對傳質(zhì)過程的強(qiáng)化，更符合低能耗環(huán)保的發(fā)展要求[17]。

Wang 等[18]設(shè)計(jì)了一種彎曲結(jié)構(gòu)的氣液逆流傳質(zhì)裝置，分析了結(jié)構(gòu)、表面張力、黏度等對氣液界面的影響，測得了CO2-NaOH 體系內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)，實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該裝置的傳質(zhì)強(qiáng)化性能。Adeosun 等[19]通過計(jì)算流體力學(xué)模擬分析了四種不同凸起結(jié)構(gòu)微反應(yīng)器內(nèi)液相的混合性能，并確定且優(yōu)化了最佳的強(qiáng)化結(jié)構(gòu)。Fang等[20]研究了一種新型三維旋轉(zhuǎn)流微混合器對黏性流體的混合作用，結(jié)果表明流體在微反應(yīng)器中產(chǎn)生三維旋轉(zhuǎn)流，導(dǎo)致接觸界面的扭曲和拉伸，從而促進(jìn)了流體的混合。Park 等[21]將F 形混合單元與蛇形層壓微混合器相結(jié)合，增強(qiáng)了局部水平對流，從而提高了混合性能。Yang等[22]基于生物應(yīng)用微流控裝置內(nèi)的三維Tesla結(jié)構(gòu)，分析了去離子水在其內(nèi)部的混合性能，并通過模擬以及指示劑進(jìn)行驗(yàn)證。Liu 等[23]提出了一種C 形單元的三維蛇形微通道結(jié)構(gòu)，通過酚酞和氫氧化鈉溶液進(jìn)行混合實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)新型微通道結(jié)構(gòu)可顯著增強(qiáng)分子擴(kuò)散與流體混合。

然而，現(xiàn)有的被動(dòng)結(jié)構(gòu)微通道大多聚焦于互溶液體的混合，主要研究混合指數(shù)、混合效率、兩相質(zhì)量分布及速度場等參數(shù)，有關(guān)三維微通道結(jié)構(gòu)對氣-液兩相體系內(nèi)傳質(zhì)增強(qiáng)的研究還未有報(bào)道。此外，相較于直通道，被動(dòng)式構(gòu)型通道會(huì)引起能耗的增加，即通道壓降的增大，相關(guān)的研究也鮮有報(bào)道。在工業(yè)生產(chǎn)中，能耗是一個(gè)非常重要的參數(shù)。因此，本文設(shè)計(jì)了新型的三維菱形交錯(cuò)結(jié)構(gòu)微通道，研究了微通道內(nèi)彈狀流下離子液體[Bmim][BF4]水溶液吸收CO2的傳質(zhì)特性。利用可視化在線分析法研究了氣液兩相流量、溶液濃度對構(gòu)型通道內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)增強(qiáng)效果的影響。采用流體體積法(VOF)數(shù)值模擬了三維菱形微通道內(nèi)的流場分布，探究了氣液傳質(zhì)的強(qiáng)化機(jī)理，同時(shí)分析了構(gòu)型通道對壓降的影響，可為構(gòu)型微通道的設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

微通道采用T 形錯(cuò)流進(jìn)樣方式，通道截面深度和寬度均為800 μm，主通道長為38 mm，氣液兩相入口長度均為10 mm。通道在兩塊聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)平板上分別加工，之后使用螺栓進(jìn)行密封，微通道結(jié)構(gòu)如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)裝置如圖2 所示，分別采用兩個(gè)微量注射泵(Harvard, USA, 誤差為1%)驅(qū)動(dòng)CO2氣體(純度為99%，天津六方氣站)和[Bmim][BF4](純度≥99%，河南利華制藥有限公司)水溶液(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5%、15%、25%)進(jìn)入水平放置的微通道內(nèi)，氣液兩相流經(jīng)微通道后進(jìn)入收集瓶。微通道進(jìn)出壓力通過壓力傳感器(Honeywell ST3000,USA)進(jìn)行測量，壓降測量誤差為0.8%，出口處的壓力為大氣壓，實(shí)驗(yàn)過程中系統(tǒng)溫度保持在(298.15±1.00)K。氣體流量QG范圍為100～400 ml?h-1，液體流量QL范圍為30～60 ml?h-1。在實(shí)驗(yàn)過程中，固定液相流量，改變氣相流量，待流型以及壓力穩(wěn)定后，采用高速攝像儀(MotionPro Y5，USA)記錄微通道內(nèi)氣液兩相流動(dòng)及傳質(zhì)過程，拍攝幀率設(shè)置為1000幀/秒。

圖1 微通道結(jié)構(gòu)Fig.1 Schematic diagram of microchannel

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Schematic diagram of experimental setup

2 結(jié)果與討論

隨著氣液兩相流速變化，微通道內(nèi)部的兩相流型也隨之變化。微通道內(nèi)常見的氣液兩相流型有泡狀流、泡狀-彈狀流、彈狀流、彈狀-環(huán)狀流等[24]。其中彈狀流與其他流型相比，具有更好的流動(dòng)可控性和穩(wěn)定性，易于確定液氣界面和氣泡體積。本文實(shí)驗(yàn)中液氣兩相流率范圍分別為30 ml?h-1≤QL≤60 ml?h-1和100 ml?h-1≤QG≤400 ml?h-1，在此范圍內(nèi)觀察到彈狀流[圖3(a)]以及破碎彈狀流[圖3(b)～(d)]，圖3(e)為直通道對照彈狀流。氣泡經(jīng)過三維菱形結(jié)構(gòu)時(shí)在通道壁面的擠壓下發(fā)生變形，在菱形結(jié)構(gòu)的間隙，氣泡尾部會(huì)受到阻礙產(chǎn)生積壓，并且由于交錯(cuò)的菱形結(jié)構(gòu)，氣泡受到橫向剪切力，同時(shí)連續(xù)相液體也會(huì)對氣泡進(jìn)行擠壓，在一定的速度下氣泡被夾斷形成破碎彈狀流。

圖3 三維菱形微通道內(nèi)氣-液兩相流動(dòng)Fig.3 Flow of gas-liquid two-phase in 3D-rhombic microchannel

2.1 傳質(zhì)系數(shù)計(jì)算

在彈狀流型下，氣泡長度LB大于通道寬度w，可以認(rèn)為其由氣泡主體和兩個(gè)對稱的半球體組成，本文通道寬度和深度相同，氣泡主體的截面面積為通道界面面積的90%[25]，氣泡體積VB的計(jì)算方法如下：

式中，Pˉ是通道入口和出口壓力的平均值；H是亨利系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)提出的二元混合溶液的亨利常數(shù)預(yù)測式計(jì)算[28]：

式中，Pin、Pout分別是微通道進(jìn)出口的壓力；Vin是生成階段無吸收狀態(tài)下氣泡的體積；Vout是通道出口處氣泡的體積；f是氣泡的生成頻率；QG是氣相流率；Vl是液彈的體積。

使用增強(qiáng)因子E來定義三維菱形結(jié)構(gòu)對氣液兩相傳質(zhì)的增強(qiáng)作用。

式中，(kLa)S是直通道中的體積傳質(zhì)系數(shù)。二氧化碳吸收率X用于評價(jià)微通道吸收CO2的性能，通過式(9)計(jì)算：

2.2 微通道氣液兩相流模擬

為了研究三維菱形微通道內(nèi)氣液兩相流傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)理，使用流體體積法(VOF)對氣液兩相流動(dòng)過程進(jìn)行了三維模擬，模擬方法的可行性已在先前的研究中得到驗(yàn)證[30-31]。模擬條件如下：氣相和液相分別采用CO2氣體和[Bmim][BF4]水溶液作為分散相和連續(xù)相。CO2密度和黏度分別為1.78 kg·m-3和1.49×10-5Pa?s，水溶液密度和黏度分別為1023.8 kg·m-3和1.205× 10-3Pa?s，兩相表面張力為0.036 N·m-1。圖4 和圖5 示出了Y=0 中央處直通道和三維菱形通道內(nèi)的速度矢量圖。

圖4 直通道內(nèi)速度矢量圖Fig.4 Velocity vector diagram in the straight channel

圖4 和圖5 中黑色實(shí)線為氣泡邊緣。在直通道內(nèi)，速度場方向與流動(dòng)方向一致。圖5(a)～(d)示出了氣泡從進(jìn)入到離開一個(gè)菱形單元結(jié)構(gòu)的速度矢量圖，氣泡頭部進(jìn)入結(jié)構(gòu)時(shí)，連續(xù)相流體會(huì)在局部加速，且在液彈中形成渦流，加速液彈內(nèi)流體的混合，如圖5(a)、(b)所示。圖5(c)、(d)示出了氣泡尾部產(chǎn)生破碎彈狀流的過程，在圖5(c)中當(dāng)氣泡尾部將要離開結(jié)構(gòu)時(shí)，液彈速度方向垂直向上，氣泡受到剪切力進(jìn)而產(chǎn)生破碎彈狀流，這與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。而在破碎后氣泡的前端連續(xù)相也會(huì)產(chǎn)生渦流，之后氣泡會(huì)繼續(xù)跟隨前方氣泡向前運(yùn)動(dòng)。

圖5 三維菱形通道內(nèi)速度矢量圖Fig.5 Velocity vector diagram in the 3D-rhombus channel

2.3 氣液兩相流量對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖6顯示了兩相流量和液相中離子液體濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的影響。圖6(a)對比了帶有三維菱形結(jié)構(gòu)的通道和直通道的傳質(zhì)系數(shù)kLa。在較低氣相流量下，流型為彈狀流，菱形通道可以誘導(dǎo)連續(xù)相流體產(chǎn)生渦流(如圖5所示)，加速液彈內(nèi)流體的混合，促進(jìn)相界面處氣液兩相間的傳質(zhì)。所以，三維菱形通道內(nèi)的體積傳質(zhì)系數(shù)kLa顯著高于直通道。隨著氣相流量增大，氣泡變長，通道構(gòu)型對氣泡產(chǎn)生的橫向剪切力可導(dǎo)致氣泡發(fā)生破碎。在破碎彈狀流條件下，構(gòu)型通道不僅能誘導(dǎo)連續(xù)相中產(chǎn)生渦流，而且氣泡的破碎也同時(shí)增大了兩相界面面積。因此，在破碎彈狀流流型下傳質(zhì)系數(shù)顯著高于直通道，而且增大的趨勢隨氣相流量的增大而增大。兩種流型下均表明三維菱形通道對氣液傳質(zhì)具有顯著的強(qiáng)化作用。當(dāng)液相流量不變，氣相流量增大時(shí)，液彈長度相對減小，液彈內(nèi)部的對流循環(huán)增強(qiáng)[32]，改善了液彈內(nèi)部流體的混合，導(dǎo)致了傳質(zhì)系數(shù)提高。同時(shí)，通道內(nèi)比表面積增大，體積傳質(zhì)系數(shù)也將相應(yīng)增大。隨著氣相流量增大，三維菱形通道所產(chǎn)生的破碎流逐漸增多，這增加了氣液兩相相界面面積，使得兩相流動(dòng)加劇，進(jìn)而強(qiáng)化了傳質(zhì)。當(dāng)氣相流量不變，液相流量增大時(shí)，氣液兩相流速也同時(shí)增大，兩相湍動(dòng)程度增加，使得微通道內(nèi)部氣相對液相的擾動(dòng)增強(qiáng)，促進(jìn)了氣泡和液彈的內(nèi)部混合，也促進(jìn)了液膜表面更新速率，使得傳質(zhì)系數(shù)增大。

圖6 氣液流量和[Bmim][BF4]濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的影響[半實(shí)心符號(hào)(彈狀流)和實(shí)心符號(hào)(破碎彈狀流)為三維菱形通道數(shù)據(jù),空心符號(hào)(彈狀流)為直通道數(shù)據(jù)]Fig.6 Effects of[Bmim][BF4]concentration and gas and liquid flow rates on volumetric mass transfer coefficient kLa

圖6(b)顯示了固定氣液速條件下，液相中離子液體濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，CO2在氣液界面上被離子液體[Bmim][BF4]水溶液吸收到液相中，為物理吸收過程。提高離子液體濃度可以促進(jìn)溶劑中CO2的平衡濃度，界面處CO2濃度梯度增大，液膜阻力減小，增強(qiáng)了傳質(zhì)，進(jìn)而提高了傳質(zhì)系數(shù)。此外，液相濃度增大，氣泡/液彈生成尺寸減小，液彈內(nèi)部循環(huán)增強(qiáng)，同時(shí)促進(jìn)液彈與液膜間的混合，增強(qiáng)了相間傳質(zhì)。然而，吸收速率的提高使得氣泡在流動(dòng)過程中快速減小，導(dǎo)致比表面積減小，而且濃度的增大會(huì)使得溶液的黏度增大，液相中擴(kuò)散系數(shù)減小，均不利于相間傳質(zhì)。因此，離子濃度增大對傳質(zhì)的影響實(shí)際上是上述各種因素綜合影響的結(jié)果。從圖6(b)可以看出本實(shí)驗(yàn)中離子液體濃度增加對傳質(zhì)的增強(qiáng)作用更加明顯。

2.4 氣液兩相流量對增強(qiáng)因子的影響

圖7 顯示了不同濃度下氣液兩相流量對增強(qiáng)因子E的影響。以濃度為15%的[Bmim][BF4]溶液為例，如圖7(a), 當(dāng)流型為彈狀流時(shí)，氣相流量增大，氣液界面擾動(dòng)增強(qiáng)，氣液兩相表面更新速率增大，增強(qiáng)因子增大。在高氣相流率下，流型為破碎彈狀流，菱形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的破碎氣泡數(shù)量隨著氣相流量增大而增多，氣液相界面面積增大且擾動(dòng)增強(qiáng)，相應(yīng)地增強(qiáng)因子顯著增大。但當(dāng)氣相流率不變，液相流率增大時(shí)，增強(qiáng)因子反而減小。這是由于相比于直通道，三維菱形通道主要是為了增強(qiáng)氣液兩相的混合和湍動(dòng)，在低液速下三維菱形通道誘導(dǎo)的連續(xù)相中的渦流可以有效增強(qiáng)氣液兩相之間的混合，但是在高液速下，流體之間的混合本身就很高了，渦流對混合的提升相對有限，所以出現(xiàn)增強(qiáng)因子隨液相流率增大而減小的趨勢。

圖7 氣液流量和[Bmim][BF4]濃度對增強(qiáng)因子E的影響(半實(shí)心符號(hào)為彈狀流,實(shí)心符號(hào)為破碎彈狀流)Fig.7 Effects of[Bmim][BF4]concentration and gas and liquid flow rates on enhancement factor E

在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，三維菱形通道在[Bmim][BF4]水溶液全濃度范圍內(nèi)均顯示了較好的傳質(zhì)強(qiáng)化效果，增強(qiáng)因子最高可達(dá)2.1。當(dāng)液相離子液體濃度增加時(shí)，液體的黏度增大，氣泡的生成尺寸減小，通道構(gòu)型引起的氣泡形變以及液相漩渦均減弱，導(dǎo)致三維菱形通道對傳質(zhì)的強(qiáng)化效果減弱，傳質(zhì)增強(qiáng)因子減小。這表明三維菱形通道在較低離子液體濃度下具有更好的增強(qiáng)效果，如圖7(b)所示。

2.5 氣液兩相流量對CO2吸收率的影響

圖8 顯示了不同濃度下氣液兩相流量對CO2吸收率的影響。由圖8(a)可以發(fā)現(xiàn)，相同氣相流率下，增大液相流率會(huì)使得CO2吸收率升高，這是由于氣泡吸收率由氣泡在微通道內(nèi)的停留時(shí)間和傳質(zhì)速率所決定。當(dāng)氣相流速不變，液相流速增加時(shí)，氣液兩相運(yùn)動(dòng)速度增加導(dǎo)致氣泡表面更新速率增加進(jìn)而加快了吸收。此外，液彈長度相對變長，提高了液膜與液彈的傳質(zhì)效率，降低了液膜飽和程度，增強(qiáng)吸收。但氣泡在通道內(nèi)的停留時(shí)間縮短，對CO2的吸收有一定的減弱作用。綜合起來，液體流率增大對CO2吸收有一定的促進(jìn)作用。由圖8(b)可以發(fā)現(xiàn)，高濃度的[Bmim][BF4]溶液會(huì)使得CO2吸收率更高。這是由于提高濃度會(huì)增大CO2在液相中的平衡濃度，提高了相間傳質(zhì)推動(dòng)力，進(jìn)而提高CO2吸收率。當(dāng)液相流率不變，氣相流率增加時(shí)，液彈長度減小，使得液彈內(nèi)部循環(huán)強(qiáng)度增加，強(qiáng)化了吸收過程。而氣泡長度增加導(dǎo)致進(jìn)入通道的CO2量增大，并且流動(dòng)速度加快，氣泡在微通道內(nèi)停留時(shí)間顯著縮短。這兩個(gè)因素的綜合效應(yīng)使得CO2吸收率降低。

迄今，已有許多學(xué)者對微通道內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)進(jìn)行了研究，提出了含有無量綱參數(shù)Sherwood 數(shù)、Schmidt 數(shù)和Reynolds 數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式對傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測。

式中，ShL=kLdh/DAB；ReG=dhρGuG/μG；ReL=dhρLuL/μL；ScL=μL/DABρL(dh為微通道當(dāng)量直徑；DAB為CO2在液相中的擴(kuò)散系數(shù))。根據(jù)Akanksha 等[33]的綜合評述，確定ScL的指數(shù)為0.5，并已得到實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。Yue等[24]使用無量綱參數(shù)Sherwood數(shù)、Schmidt 數(shù)和Reynolds數(shù)預(yù)測正方形截面微通道內(nèi)彈狀流下水物理吸收CO2的體積傳質(zhì)系數(shù)。

Ganapathy 等[34]采用了類似的無量綱關(guān)聯(lián)式對圓形微通道內(nèi)DEA 化學(xué)吸收CO2體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行預(yù)測

基于已有研究，式(11)對傳質(zhì)系數(shù)具有優(yōu)異的預(yù)測性能，但對于不同的物系和通道構(gòu)型，其擬合參數(shù)不同。為此，本文利用式(11)對三維菱形微通道內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行擬合，得到的擬合參數(shù)見式(14)。擬合結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比如圖9所示，其平均誤差為3.78%。

圖9 體積傳質(zhì)系數(shù)實(shí)驗(yàn)值與預(yù)測值的比較Fig.9 Comparison between predicted values and experimental data of volumetric mass transfer coefficient

2.6 氣液兩相流量對壓降的影響

以氣泡和緊隨其后的液彈組成的傳質(zhì)單元為研究對象，水平放置的微通道內(nèi)彈狀流型下氣液兩相壓降主要由氣泡主體與液膜間的摩擦壓降、液彈與微通道壁面的摩擦壓降以及氣泡頭尾產(chǎn)生的拉普拉斯壓降組成。如圖10(a)所示，氣液兩相流率增大均會(huì)使得微通道內(nèi)壓降增大。氣速較低時(shí)，氣相流量的改變對壓降影響較為明顯，氣速較高時(shí)壓降增加，速率降低，數(shù)值趨于平緩。液相流率不變，氣相流率增大時(shí)，相界面接觸面積增大，因而氣泡主體部分與液膜摩擦產(chǎn)生的壓力降增大。氣液兩相流速增大導(dǎo)致液彈與微通道壁面之間的摩擦壓降增大。盡管微通道內(nèi)氣液兩相單元數(shù)減小，氣泡頭尾拉普拉斯壓降減小，但微通道內(nèi)總的壓降隨氣相流量的增大而增大。當(dāng)氣相流率較高時(shí)，流型逐漸向彈狀-環(huán)狀流轉(zhuǎn)變，所以壓降增加趨勢較為平緩。氣相流率不變，液相流率增大時(shí)，微通道內(nèi)氣液兩相流速增大，液彈長度變長，液彈與微通道壁面的摩擦壓力降增大，同時(shí)氣液運(yùn)動(dòng)速度增大，氣泡與液膜間的摩擦壓降隨之增大。但氣泡長度變小，使得氣泡與液膜摩擦壓力降減小。同時(shí)，氣泡個(gè)數(shù)減少，氣泡頭尾部拉普拉斯壓降減小?？傮w上，隨著液相流率的增大，微通道內(nèi)壓降隨之增大。如圖10(b)所示，在[Bmim][BF4]溶液濃度升高時(shí)，溶液的黏度隨之增大，這增大了微通道壁面與液膜之間的摩擦壓降，導(dǎo)致通道內(nèi)壓降增大。

圖10 氣液流量和[Bmim][BF4]濃度對壓力降ΔP的影響Fig.10 Effects of[Bmim][BF4]concentration and gas and liquid flow rates on pressure drop ΔP

微通道的高傳質(zhì)性能常伴隨著高的壓力降，三維菱形通道由于其結(jié)構(gòu)能誘導(dǎo)渦流的產(chǎn)生，相比于直通道，氣泡會(huì)經(jīng)歷變形和破碎，增大了微通道的壓降。實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，三維菱形微通道較直通道的壓降增量小于0.9 kPa(相對壓降增加率小于30%)，在實(shí)際應(yīng)用中是可以接受的。

3 結(jié) 論

采用可視化在線方法對彈狀流下三維菱形通道內(nèi)[Bmim][BF4]水溶液吸收CO2的傳質(zhì)強(qiáng)化過程進(jìn)行了研究?？疾炝瞬煌芤簼舛群蜌庖簝上嗔髁繉髻|(zhì)的影響。結(jié)果表面，三維菱形通道對于傳質(zhì)有著明顯的增強(qiáng)效果，體積傳質(zhì)系數(shù)kLa、增強(qiáng)因子E和CO2吸收率X均顯著高于直通道的結(jié)果。隨離子液體濃度增大，kLa、X均增大，而E減小。kLa隨著氣液兩相流率增大而增大，E隨氣相流率增大而增大，隨液相流率增大而減小。X隨氣相流率增大而減小，隨液相流率增大而增大。提出了一個(gè)微通道內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測關(guān)聯(lián)式，較之于文獻(xiàn)預(yù)測式，新的關(guān)聯(lián)式具有更好的預(yù)測性能。在實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，隨著濃度和氣液兩相流率的增大，壓力降逐漸增大，并且由于三維菱形通道引起連續(xù)相內(nèi)流體渦流和氣泡的變形及破碎，產(chǎn)生了更大的壓降。但相對于直通道，三維菱形通道內(nèi)壓降增加小于0.9 kPa。模擬分析了三維菱形通道內(nèi)部的速度場，得到了與實(shí)驗(yàn)一致的破碎彈狀流，表明三維菱形單元能有效誘導(dǎo)渦流，增強(qiáng)液相混合，進(jìn)而增強(qiáng)兩相傳質(zhì)。

符 號(hào) 說 明

C——濃度，mol?m-3

Ce——CO2在液相中的平衡濃度，mol?m-3

CaL——液相毛細(xì)數(shù)

DAB——擴(kuò)散系數(shù)，m2?s-1

dh——微通道當(dāng)量直徑，m

H——亨利系數(shù)，Pa?m3?mol-1

kLa——體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1

N——傳質(zhì)通量，mol?m-2?s-1

ng——溶液吸收CO2的物質(zhì)的量，mol

Re——Reynolds 數(shù)

Sc——Schmidt數(shù)

Sh——Sherwood數(shù)

t——傳質(zhì)過程經(jīng)歷的時(shí)間，s

u——表觀流速，m?s-1

w——微通道寬度，m

xIL——混合溶液中離子液體的摩爾分?jǐn)?shù)

μ——黏度，Pa?s-1

ρ——密度，kg?m-3

σ——表面張力，N?m-1

下角標(biāo)

B——?dú)馀?/p>

exp——實(shí)驗(yàn)值

G——?dú)庀?/p>

in——微通道入口

L——液相

M——微通道

out——微通道出口

pre——預(yù)測值