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                      【研究】微反應中氣泡生成階段傳質規律

                      更新時間:2023-11-03  |  點擊率:267
                        微反應器設備內能夠較好地消除傳質限制,使化學反應和分離過程得到強化,因此,研究微尺度下氣 / 液體系的傳質性能對于氣 / 液接觸過程的微型化研究具有重要意義。

                       

                       

                       
                      圖1:兩相流量、MEA 濃度對氣泡生成階段傳質系數的影響,
                       
                      (a),(b)并流通道;(c),(d)T 形通道
                       
                        圖1顯示了兩相流量對傳質系數的影響??梢钥闯?,當氣相流量固定時,生成階段傳質系數隨兩相相比的升高而略微增大;同時當相比固定時,不同于氣泡運動階段,生成階段傳質系數隨氣相流量的增大而顯著上升。產生這一結果的原因是,在氣泡的形成過程中,氣泡內部的內環流一部分由于受到氣/液兩相的相對剪切作用而產生,主要由兩相流量比控制;另一部分由本身的分散相氣體不斷向通道內注入所引起,主要受分散相氣體流量的影響。因此,兩相相比和氣相流量的增大增強了氣泡內的內環流,強化了傳質過程,提高了總傳質系數。從圖中還可以看出,當流量和氣相中CO2體積分數等操作條件固定時,液相總傳質系數基本不隨MEA濃度的升高而變化。

                      圖2:CO2 體積分數對氣泡生成階段傳質系數的影響, (a)并流通道;(b)T 形通道

                       
                        氣相中初始CO2體積分數對傳質系數的影響如圖2所示,結果顯示液相總傳質系數明顯隨初始CO2體積分數的升高而增大。產生這一結果的原因是,氣相中高的CO2濃度促進了氣膜側的傳質過程。對于高濃度的氣體吸收過程,氣相中待吸收組分濃度的影響需要考慮進來,氣相膜傳質系數可寫為:

                       

                       
                        其中δ為膜厚度,p/pn2m為漂流因子,可以看出氣相膜傳質系數隨CO2濃度的升高而增大。從而,提高氣相中初始CO2體積分數減小了氣相的膜傳質阻力,增大了氣泡生成階段的液相總傳質系數。
                       
                        并流通道內氣泡生成階段液相總傳質系數Kl在1.2×10−4~1.3×10−3m/s,T形通道內Kl在1.1×10−4~1.3×10−3m/s范圍。氣泡生成階段的液相總傳質系數呈現出與運動階段不盡相同的規律,主要依賴于兩相相比、氣相流量和氣相中CO2的體積分數,并隨著相比、氣相流量和CO2體積分數的升高而增大,與液相中吸收劑濃度關系不大,表現出傳質過程由氣相膜傳質阻力控制的特點。這一結果是由于在氣泡的生成階段,連續相相對流速較大,液相表面更新速率較快,同時在較短的生成時間內大量CO2不斷補充進來使得氣泡內濃度分布不均,導致氣膜厚度較大,傳質阻力主要集中在氣膜內。

                      圖3:T 形通道與并流通道內氣泡生成階段傳質系數的比較

                       
                        不同的分散結構對氣泡生成階段傳質系數的影響如圖3所示,結果顯示T形通道內氣泡生成階段的傳質系數略微高于并流通道。產生這一結果的原因是,同樣條件下,T形通道中連續相對分散相提供垂直方向的剪切力,剪切作用效率更高,一方面使得形成的氣泡分散尺寸減小、氣體擴散距離縮短,如圖4所示,另一方面促進了連續相中的吸收劑在氣泡表面的更新。同時,分散結構對氣泡形成過程中氣泡的內部流場以及環繞氣泡的外部流場具有明顯的作用。由于并流通道具有的高度對稱結構使得氣泡內部和外部流場也具有對稱性,而與此相對,T形通道中氣泡內部和外部的內環流流場具有高度不對稱性,局部強烈的內環流在一定程度上有助于氣體組分擴散形成更均勻的濃度場,從而減小傳質的膜層厚度和傳質阻力。上述作用的共同結果使得T形通道內氣泡生成階段的傳質性能略高于并流通道。

                      圖4:并流通道與 T 形通道內流場示意圖

                       
                      由式(1)
                       

                       式(1)

                       
                        估算得到氣泡生成階段傳質量占總傳質量的比例,結果顯示并流通道內氣泡生成階段傳質貢獻量η在26%~50%范圍,T形通道內η在25%~52%范圍。值得注意的是,氣泡的生成時間在2.5~5ms范圍,如圖5所示,而氣泡在通道內流動的時間至少為生成時間的20倍以上。在如此短的氣泡形成時間內,生成階段的傳質量占總傳質量的比例η依然超過25%。由此可見,氣泡生成階段的傳質量較為顯著不可忽略,特別是考慮到極短的傳質時間。然而在常規的傳質設備內,一般分散形成階段的傳質貢獻量小于10%。微尺度下傳質過程呈現出不同特點的原因是,氣泡分散尺寸的減小以及氣泡形成過程中內部強烈的內環流作用。

                      圖5:氣泡生成階段傳質貢量與氣泡生成時間,(a)并流通道;(b)T 形通道

                       
                      END
                       
                        參考文獻
                       
                        駱廣生,呂陽成,王凱,張吉松等,《微化工技術》化學工業出版社.

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