【研究】微通道中微气泡如何强化混合及传质过程
时间：2024-04-22 阅读：1072
就传质性能的研究而言，对于气 / 液 / 液体系典型研究是将微气泡 / 气柱引入液 / 液体系，对其液 / 液传质过程进行强化。在分散液柱的流动过程中，液柱内产生的相内循环能够大大加速相内的混合，因此，把微气柱分散在液体中，以将液体分隔成液柱，可以实现相内混合、相间传质过程的强化。由于气相和液相的性质差异明显，容易实现快速分相，这一新方式在涉及相内快速混合与反应过程的众多领域有着很好的应用前景。
Su 等 [1] 对 T 形微通道中水萃取煤油 / 磷酸三丁酯中的醋酸的过程进行了研究。研究者分别观测了在气相入口处和流型充分发展处，气相的表观流速对液 / 液两相的分散状态的影响，如图 1 所示。
图 1 引入微气柱 / 气泡强化液 / 液相间传质
从图中可以看出，在气相入口处，气相的加入可以打破液 / 液体系的层流，并随着气 / 液 / 液三相表观流速的不同，出现气柱和液柱交替出现的“珍珠项链”式流动、气泡引起液 / 液界面弯曲的流动、水相包围气泡的流动和气相将水相压缩成薄层的流动等丰富的流型。
当无气相引入时，液 / 液两相呈稳定的层流流动，以扩散的方式进行相间传质；当气相的表观流速较小时，所形成的微气泡将水相分散成液柱，形成液柱和气泡交替出现的分散流动；随着气相表观流速的增大，气泡逐渐转变成气柱；随着气相表观流速的进一步增大，气体占据微通道的主要位置，而水相和有机相均被挤压到微通道的壁面，形成薄层，在这种情况下，气相的惯性力强于液 / 液体系的界面力，水相被破碎成约为 10 ～ 20μm 的液滴，此时，液 / 液体系的界面积很大，同时界面在气相的扰动下产生强烈的湍动，使液 / 液相间传质过程得以强化。
研究者计算了气相的引入对液 /液体系总体积传质系数的影响。结果表明，总体积传质系数随着气相表观流速的增大而显著增大，比传统设备高 2 个数量级。这说明，微气泡 / 气柱的引入可以有效地强化液 / 液相间传质过程。
谭璟 [2] 针对蒽醌法制备 H2O2 的极端相比萃取过程，提出利用微气泡群强化极端相比液 / 液萃取过程。发展了多种气相强化液 / 液微尺度传递性能的方式，如图 2所示，基于扩散理论和微尺度气泡群流动的特性，建立了预测气 / 液 / 液体系传质过程的物理和数学模型，分析指出了微尺度气泡强化传质性能的机理。实验结果表明，微气泡的加入可以有效地强化混合及传质过程，使萃取过程的总体积传质系数达到 21s−1。相比于无气相扰动的液 / 液微分散萃取过程，总传质系数提高了10 倍以上。
参考文献
[1] Su Y H, Chen G W, Zhao Y C, et al. Intensifi cation of liquid-liquid two-phase mass transfer by gas agitation in a microchannel[J]. AIChE J, 2009, 55:1948-1958.
[2] 谭璟 . 气 - 液分离与反应过程微型化的基础研究 [D]. 北京 : 清华大学 , 2011.