微通道内气-液两相流及并行放大的研究进展

微化工技术从基础研究到工业应用的关键步骤是过程放大。为了实现产品的高通量、易控制和连续生产,微化工过程的研究主要集中于单通道内多相流的稳定性和微通道的并行放大。对单微通道内气液两相流的流型及其对传质的影响进行了综述,阐明了微通道内气液两相流的流动稳定性和传质高效性。同时,综述了微化工技术的应用现状,证明了微化工技术在工业化应用中的潜力。此外,综述了对称并行放大和非对称并行放大2种基本并行放大方式的研究进展,对其中的流体分布及其对传质的影响进行了总结。最后,对未来的研究方向进行了展望。     

微通道内气-液传质研究

以CO₂-H₂O为模型体系，实验考察了当量直径为667 μm的单通道和16个并行通道内的气-液传质行为.实验发现，液体表观速度增加，单通道内液侧体积传质系数明显提高;同一液体表观速度下，液侧体积传质系数随气体表观速度增加而增加;在实验数据基础上关联了液侧体积传质系数与气-液两相流参数间的关系.微通道内的液侧体积传质系数较常规尺度气-液接触设备至少高1～2个数量级.并讨论了并行微通道内气-液两相流分配特性对整体传质性能的影响，表明合理设计气、液流动分布结构，可保证微通道内优异的传质特性.     

壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La均随气、液相表观流速的增大而增大,随通道壁面润湿性的增强而增大。     

垂直管内气液两相流的探讨—气泡流压力降

本文把空隙率和气盯密度沿管子高度的变化当作连续过程，并从微分总压力降出发，然后在全管范围内积分，从而导出气液两相在气泡流情况下的总压力降模型的Ｐ１－Ｐ２＝ｄ－ｂｃ／ａｃｌｎｄ＋ａｃＰ１／ｄ＋ａｃＰ２＋Ｚｃ该模型用于求垂直管内向上流动的气泡流压力降时初值要求不高，收敛快，且准确度高。     

微通道内伴有化学吸收气液两相流的空隙率与压力降

微通道内气液两相流空隙率与压力降对微反应器的热质传递性能有显著影响,是微反应器的重要设计参数。采用高速摄像仪和压力测量系统分别对矩形微通道内单乙醇胺水溶液化学吸收CO₂过程的空隙率和压力降进行了研究,考察了弹状流下气液两相流量与化学反应速率对空隙率及压力降的影响。结果表明:当液相流量一定时,微通道内空隙率和压力降均随着气相流量的增大而增大,空隙率随化学反应速率的增大而减小,压力降随化学反应速率的增大而增大;当气相流量一定时,随着液相流量和化学反应速率的上升,微通道内空隙率下降,而压力降上升。提出了微通道内伴有化学吸收的空隙率和压力降的半理论预测模型,模型平均误差分别为15.79%和11.12%,显示了良好的预测性能。     

微通道中气-液-液三相流流型及传质研究

使用双T型微通道,以体积分数为30%的磷酸三丁酯（TBP）的环己烷溶液-乙酸水溶液为萃取体系,研究了不同油水两相流量比及油水两相总流量条件下,气相的引入及气相流量分率α对流型及传质的影响,并获得总体积传质系数k_La与油水两相流量比q、气相雷诺数Re_g、液相平均雷诺数Re_M的关系式。研究结果表明,第1个T型接口处气相的引入所带来的气相剪切作用能促进第2个T型接口处分散相液滴的形成,可使液-液并行流转化为气-液-液三相弹状流;同时,由于气-液-液弹状流具有较高的相接触面积及内循环作用,传质系数k_La得到显著提高。     

微通道内液-液两相流研究进展

从流型、传质和应用3个方面,介绍了近年来微通道内液-液两相流的研究进展。液-液两相流型研究内容主要有两部分,即流型的观察、流型谱图的绘制以及考察多种因素对流型的影响,但是具有普适性的流型谱图和流型转变线仍未提出。液-液两相传质研究方法包括实验研究和数值模拟两种,主要研究在液滴流、弹状流和平行流3种稳定流型下的传质过程;且相对于定性研究,定量的传质研究较少。对于微通道内液-液两相流应用研究,主要体现在萃取、材料合成、生物结晶等方面。此外,对今后微通道内液-液两相的流型、传质和应用研究进行了展望,指出需从实验与模拟计算相结合以及拓展微通道内液-液两相流的应用研究两个方面进行深入研究,推进其工业化进程。     

微通道内液液两相流压力降的测量和关联

微通道内液液两相流的压力降对系统内部热量和质量传递具有重要影响。针对环己烷-含0.3%SDS(十二烷基硫酸钠)蒸馏水液液两相系统,利用高速摄像仪对2种不同深宽比的矩形截面直管微通道内的液液两相流进行了实时观测和记录,用压差变送器测定了其在弹状流型下的压力降。微通道尺寸(深度×宽度)分别为400μm×600μm,400μm×800μm。结果表明:弹状流型下的压力降随系统各相流率、毛细数、雷诺数、连续相黏度的增加而增加,随两相速度比值的增加而减小,且当毛细数Ca>0.015或雷诺数Re>20时,压力降随着通道截面深宽比的增加而增加。基于实验结果,修正了均相流模型,提出了新的压力降预测关联式,模型计算结果与实验值吻合良好。     

气液两相流在膜技术中的应用

针对膜技术应用中的污染问题,从强化膜分离以及膜清洗两个方面,讨论气液两相流对膜污染的控制作用.两相流在膜组件内一般形成弹状流提高膜面剪切力,或通过增加反冲效果以有效控制膜污染.较系统地阐述了气液两相流在强化膜分离及膜清洗过程中的机理,以及在管式、平板式、中空纤维和卷式膜组件中的具体应用.总结了影响气液两相流效果的主要因素,以及在应用中的优势与不足.并对两相流在大分子物质分级中的应用,以及未来向高效、低能耗、优化膜组件结构等方向的发展做出展望.     

微通道内气-液两相传质过程行为及其应用

微通道内气-液两相体系中Taylor流和泡状流具有气泡尺寸均一、停留时间分布窄、可调控性强和比表面积高等优点,具有广泛的应用前景。从Taylor气泡和泡状气泡的传质过程出发,系统综述了微尺度下气泡的溶解规律、传质过程机理和传质/溶解模型等方面的研究进展,并介绍上述流型在反应或过程强化、基础物性及动力学数据测量和微纳材料合成方面的应用。最后总结并展望了技术领域的研究难点与研究方向。     

Gas-liquid two-phase flow in serpentine microchannel with different wall wettability

Gas-liquid flow in serpentine microchannel with different surface properties exhibits drastically different flow behavior.With water and air as working fluids,the method of numerical simulation was adopted in this paper based on CLSVOF (coupled level set and volume of fluid method) multiphase model.After verifing the reasonability of the model through experiment,by changing wall properties and Re number (Re ＜ 1500),the influences of contact angle and surface roughness on flow regime and Po number were discussed.Moreover,the difference of pressure drop between curve and straight microchannel was also calculated.Beyond that,the combined effect of curve channel and wall properties on flow resistance was analyzed.This paper finds that wall properties have great influence on gasliquid flow in microchannels not only on flow regime but also flow characteristics.Meanwhile,the pressure drop in curve microchannels is larger than straight.It is more beneficial for fluid flowing when the straight part of microchannel is hydrophilic smooth wall and curve part is hydrophobic with large roughness.     

基于段塞流的通用气液两相流模型的建立与验证

气液两相混输流动中,由于段塞流与其他流型均有联系,从段塞流出发建立模型可以使不同流型下的计算模型得到统一。基于段塞流建立气液两相流动量方程和连续性方程,完善模型对气泡和液滴夹带的处理。建立模型的闭合关系式,对关键参数(壁面及气液相间水力摩阻系数、液塞平移速度、平均液塞长度)的计算闭合关系式进行优选,得到适用于模型的闭合关系式,同时,对液滴和气泡的夹带给出夹带条件及相关参数计算式,最终建立基于段塞流的通用气液两相流模型。使用3组不同来源的实验数据验证了模型计算压降和持液率的准确性,实验数据分别来自中国石油大学(华东)、大庆油田实验基地的气液两相流实验以及国外研究人员的实验研究,包含各个气液流型。模型具有较高的计算精度,优于未经关系式完善和优化的原始模型,大部分压降及持液率参数的计算误差在±15%以内。     

气液两相流段塞流持气率快关阀法优化设计

快关阀法(quick closing valve,QCV)是气液两相流流动实验中常用持气率标定手段。特别是由于段塞流中气塞与液塞表现为随机可变流动特性,不合理的快关阀间距及截取次数选择将会导致持气率测量误差增大。提出了一种持气率快关阀法优化设计方案。首先,采用环形电导传感器上下游阵列信号计算流体相关流速,根据相关测速结果提取上游传感器信号对应流动工况的气塞与液塞间隔长度序列,采用Maxwell方程提取液塞中含泡持气率;在此基础上,再依气塞在管道内占比模拟计算不同快关阀间距时捕获的持气率波动序列。通过分析持气率序列波动,从统计学角度指出了95%置信度及5%允许误差情况下所需最低截取次数。最后,在快关阀门间距为1.55 m的条件下对段塞流所需截取次数进行了实验验证。通过对快关阀法持气率测量误差进行统计分析,证明了设置两个快关阀门间距的充分条件。     

用统计方法研究未充分发展弹状流动

在一内径19 mm、长2 m的垂直有机玻璃管内,采用自制的电导探针对未充分发展的气-液二相弹状流中的弹状气泡上升速度、液塞上升速度、弹状气泡长度和液塞长度进行了测量。得到了各自随表观气速或表观液速的变化规律。结果表明:在未充分发展的弹状流状态下,弹状气泡的上升速度略高于液塞的上升速度:弹状气泡长度随表观气速的增大而增大,随表观液速的增大而减小。文章对弹状气泡长度进行了统计分析。未充分发展弹状流中弹状气泡长度符合正态分布律。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

垂直放置矩形微通道内气液二相流流型研究

文章采用激光影像放大系统,对垂直放置的100μm×800μm矩形微通道内气液二相流流型进行了实验观测和研究,实验物系为乙醇-空气体系。根据实验结果绘制出流型转换图,并进行了分析和讨论。实验观测到弹状流、液环-弹状流、液环流、液环-分层流、分层流和波状流,而未观察到气泡直径小于微通道内径的气泡流,其中稳定的分层流文献中尚未见报道。