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【研究】微反应中气泡生成阶段传质规律

更新时间:2023-11-03  |  点击率:315
  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,因此,研究微尺度下气 / 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。

 

 

 
图1:两相流量、MEA 浓度对气泡生成阶段传质系数的影响,
 
(a),(b)并流通道;(c),(d)T 形通道
 
  图1显示了两相流量对传质系数的影响。可以看出,当气相流量固定时,生成阶段传质系数随两相相比的升高而略微增大;同时当相比固定时,不同于气泡运动阶段,生成阶段传质系数随气相流量的增大而显著上升。产生这一结果的原因是,在气泡的形成过程中,气泡内部的内环流一部分由于受到气/液两相的相对剪切作用而产生,主要由两相流量比控制;另一部分由本身的分散相气体不断向通道内注入所引起,主要受分散相气体流量的影响。因此,两相相比和气相流量的增大增强了气泡内的内环流,强化了传质过程,提高了总传质系数。从图中还可以看出,当流量和气相中CO2体积分数等操作条件固定时,液相总传质系数基本不随MEA浓度的升高而变化。

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

 
  气相中初始CO2体积分数对传质系数的影响如图2所示,结果显示液相总传质系数明显随初始CO2体积分数的升高而增大。产生这一结果的原因是,气相中高的CO2浓度促进了气膜侧的传质过程。对于高浓度的气体吸收过程,气相中待吸收组分浓度的影响需要考虑进来,气相膜传质系数可写为:

 

 
  其中δ为膜厚度,p/pn2m为漂流因子,可以看出气相膜传质系数随CO2浓度的升高而增大。从而,提高气相中初始CO2体积分数减小了气相的膜传质阻力,增大了气泡生成阶段的液相总传质系数。
 
  并流通道内气泡生成阶段液相总传质系数Kl在1.2×10−4~1.3×10−3m/s,T形通道内Kl在1.1×10−4~1.3×10−3m/s范围。气泡生成阶段的液相总传质系数呈现出与运动阶段不尽相同的规律,主要依赖于两相相比、气相流量和气相中CO2的体积分数,并随着相比、气相流量和CO2体积分数的升高而增大,与液相中吸收剂浓度关系不大,表现出传质过程由气相膜传质阻力控制的特点。这一结果是由于在气泡的生成阶段,连续相相对流速较大,液相表面更新速率较快,同时在较短的生成时间内大量CO2不断补充进来使得气泡内浓度分布不均,导致气膜厚度较大,传质阻力主要集中在气膜内。

图3:T 形通道与并流通道内气泡生成阶段传质系数的比较

 
  不同的分散结构对气泡生成阶段传质系数的影响如图3所示,结果显示T形通道内气泡生成阶段的传质系数略微高于并流通道。产生这一结果的原因是,同样条件下,T形通道中连续相对分散相提供垂直方向的剪切力,剪切作用效率更高,一方面使得形成的气泡分散尺寸减小、气体扩散距离缩短,如图4所示,另一方面促进了连续相中的吸收剂在气泡表面的更新。同时,分散结构对气泡形成过程中气泡的内部流场以及环绕气泡的外部流场具有明显的作用。由于并流通道具有的高度对称结构使得气泡内部和外部流场也具有对称性,而与此相对,T形通道中气泡内部和外部的内环流流场具有高度不对称性,局部强烈的内环流在一定程度上有助于气体组分扩散形成更均匀的浓度场,从而减小传质的膜层厚度和传质阻力。上述作用的共同结果使得T形通道内气泡生成阶段的传质性能略高于并流通道。

图4:并流通道与 T 形通道内流场示意图

 
由式(1)
 

 式(1)

 
  估算得到气泡生成阶段传质量占总传质量的比例,结果显示并流通道内气泡生成阶段传质贡献量η在26%~50%范围,T形通道内η在25%~52%范围。值得注意的是,气泡的生成时间在2.5~5ms范围,如图5所示,而气泡在通道内流动的时间至少为生成时间的20倍以上。在如此短的气泡形成时间内,生成阶段的传质量占总传质量的比例η依然超过25%。由此可见,气泡生成阶段的传质量较为显著不可忽略,特别是考虑到极短的传质时间。然而在常规的传质设备内,一般分散形成阶段的传质贡献量小于10%。微尺度下传质过程呈现出不同特点的原因是,气泡分散尺寸的减小以及气泡形成过程中内部强烈的内环流作用。

图5:气泡生成阶段传质贡量与气泡生成时间,(a)并流通道;(b)T 形通道

 
END
 
  参考文献
 
  骆广生,吕阳成,王凯,张吉松等,《微化工技术》化学工业出版社.

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