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【研究】微尺度下的传质规律

更新时间:2023-08-17  |  点击率:511
  微反应器设备内能够较好地消除传质限制,使化学反应和分离过程得到强化,微尺度下气 / 液体系的传质性能对于气 / 液接触过程的微型化研究具有重要意义。
 
  微通道内气 / 液传质性能可通过研究气泡运动阶段传质规律来分析。

图:T 形通道与并流通道内气泡生成阶段的传质过程

 
  通常传质性能被认为与体系的流体力学及化学反应的动力学条件紧密相关,特别是对于化学吸收过程。由式(1)得到气泡在运动阶段的液相总传质系数 Kl , 图 1 显示了两相流量对传质系数的影响。

 (式(1))

 
  可以看出,传质系数随两相相比的增大而有所上升,当相比固定时,基本不受到气相流量的影响。

图 1 两相流量、MEA 浓度对气泡运动阶段传质系数的影响,(a),(b)并流通道;(c),(d)T 形通道

 
  这一结果可以解释为,提高连续相与分散相的相比增强了气泡之间液柱的内环流,内环流的作用可减小边界层厚度,并促进相界面处物质的表面更新速率,因而引起了传质系数的增大。
 
  相反,固定相比的条件下,在气泡的流动过程中,无论是环绕气泡的外部流场还是气泡的内部流场基本与气相流量关系不大,因而传质系数呈现出不随气相流量变化的趋势。
 
  由图还可以看出,当流量固定时,传质系数随着吸收剂浓度的增大而显著上升。这一结果是由化学反应对传质过程的强化作用引起的,表征这一强化作用的增强因子 E 定义为 kl /kl0,当 Ha 值大于 3 时 E ≈ Ha。
 
  图 2显示了气相中初始 CO2 体积分数对传质系数的影响。可以看出,当两相流量和吸收剂浓度等操作条件固定时,液相总传质系数基本不随 CO2 体积分数的变化而改变。

图2:CO2体积分数对气泡运动阶段传质系数的影响,(a)并流通道;(b)T 形通道

 
  总体来讲,并流通道内气泡运动阶段液相总传质系数 Kl 在(1.3 ~ 4.9)×10−3 m/s,T 形通道内 Kl 在(1.8 ~ 4.9)×10−3 m/s 范围。气泡运动阶段的液相总传质系数主要依赖于两相相比和吸收剂浓度,随着相比和 MEA 浓度的升高而增大,与气相流量和气相中 CO2 体积分数关系不大,表现出传质过程由液相膜传质阻力控制的特点。
 
  形成这一结果的原因可以解释为,在气泡的运动阶段,气泡内 CO2 浓度分布逐渐趋于均一,但气泡和液柱相对运动速度较小,CO2 在液相中的扩散速率较慢,因而传质阻力主要集中在液膜内。
 
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  参考文献
 
  Choi W J, Min B M, Seo J B, Park S W, Oh K J. Effect of ammonia on the absorption kinetics of carbon dioxide into aqueous 2-amino-2-methyl-1-propanol solutions[J]. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2009, 48:4022-4029.

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