对称分支并行微通道中气液两相流的均匀性规律

采用高速摄像系统研究了对称分支形并行微通道内气液两相流及弹状气泡均匀性规律。实验中分别采用含0.3% SDS的甘油-水溶液与氮气作为液相和气相。观察到弹状流和泡状流两种流型,作出了由两相操作条件构成的流型图及流型转变线。结果表明,气泡非均匀性主要由两微通道内流体之间的相互作用、下游通道中流体动力学的反馈作用以及通道制造误差造成。随液相黏度增大,气泡均匀性变好;在高液相流量以及低气相压力下操作,气泡尺寸分布更易达到均匀。基于压力降守恒原理和微通道内气液两相流阻力模型,构建了两通道中气泡尺寸的预测模型。     

并行微通道内液液两相流及介尺度效应

使用高速摄像仪研究了T形并行微通道液液两相流的流型。以甘油-水溶液为分散相、含5%（质量分数）道康宁的硅油为连续相,下游通道中观察到了塞状流、液滴流、环状流和并行流4种流型,绘制了流型图及流型转变线。研究了后空腔中液滴群的形态,运用介尺度概念分析了后空腔中液滴群的行为对流量分配的影响。观察到后空腔中液滴群的挤压、松散、有序排列和并行排列等4种形态,不同形态的转变主要受两相流量比的控制。研究了两相流量比对并行微通道内流量分配的影响,以及分析了不同操作条件下影响流量分配的主导因素。在两相流量比较小时,流量分配由下游通道的流体阻力主导,而两相流量比较大时由后空腔内液滴群动力学主导。     

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。     

微通道壁面浸润性对气-液两相流的影响规律研究

通道壁面浸润性对微通道内的气-液两相流具有重要影响。利用等离子体辅助接枝改性,将甲基丙烯酰乙基磺基甜菜碱（SBMA）及1H, 1H, 2H, 2H-全氟癸基三乙氧基硅烷接枝在聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）材料表面,得到了10°、40°、70°和110°四种接触角的微通道,并考察了浸润性对流型、气泡长度和压降的影响。结果表明,随接触角增大,气泡截断位置下移,膨胀阶段缩短,挤压阶段变长;低流量时,气泡长度随接触角增加而增大,高流量时则减小;建立了与材料表面水接触角相关的气泡尺寸预测关联式,与Garstecki经典预测关联式相比,预测精度更高;θ<90°时,接触角增加,压降减小;θ>90°时,三相接触线使流动阻力和压降增加。     

梳状并行微通道内液液分布规律研究

为了实现工业化应用,微反应器的并行放大已成为最有效的放大策略之一。在微反应器的放大过程中,相分布规律的研究是非常重要的。采用高速摄像仪研究了梳状并行微反应器的支通道间距和流量对液液两相分布的影响。当连续相和分散相流量Q_c及Q_d都较小时,不同支通道间距的微反应器内前方支通道的分散相含率较低,后方支通道的分散相含率较高,同时液滴长度的均匀性较差。随着Q_c与Q_d的增大,三种不同构型微反应器内分散相的体积相含率的数值分布逐渐趋于集中。在较高的两相流量下,支通道内液滴长度的均匀性显著提高,其变异系数小于0.15。在实验范围内,支通道间距S = 0.6 mm的微反应器中液滴尺寸均匀分布的操作范围最大。     

水力学聚焦微通道中气液两相流动的数值模拟

采用计算流体力学方法,考察了水力学聚焦微通道中气、液两相的流动状态。气、液两相在微通道中呈膜状流动,成膜过程可划分为3个阶段,液相表面压力、黏性力和表面张力在该过程中不断变化。考察了两相入口压强对两相流量和膜厚的影响,模拟结果显示:保持两相压强比值不变,同时改变两相压强,影响不显著;改变两相压强比值,影响显著。     

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。     

台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理

利用高速摄像仪研究了台阶式并行微通道内液液两相流流型及其转变机理。以甘油水为分散相、含3% Span 85的环己烷为连续相,观测到了滴状-滴状流、过渡-滴状流、喷射-过渡流和喷射-喷射流4种流型;以两相流量为坐标轴绘制了流型图,并获得了流型转变线;分析了流型的转变机理。考察了分散相黏度对流型及其转变的影响机制。随着分散相黏度的增大,流型转变线整体向下移动,滴状-滴状流区域变小,喷射-喷射流区域变大。最后,运用介尺度概念分析了并行微通道内液液两相流非均匀结构的动态效应。     

并行微通道内气液相分配规律

微反应器的集成放大对于微化工技术的工业应用具有重要意义。利用高速摄像仪对4个并行微通道内气液两相流动状况及相分配规律进行了研究,考察了气液两相流量及液相黏度对两相分布均匀性的影响。实验所用液相为含0.3%表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）的蒸馏水-甘油溶液,气相为氮气（N₂）。实验观察到了6种典型的两相流型。对各支通道均为弹状流情况下气泡长度和气泡速度的分布规律进行了研究。在一定气相流率下,各支通道气泡长度的相对标准偏差随液相流率的增大而增大,气泡速度的相对标准偏差值随液相流率的增大先升高到一定值然后逐渐减小。气相分配不均匀性随液相流率和黏度的增大而增大,液相分配不均匀性随液相黏度的增大而减小,气相流率的变化对于两相分布影响不明显。研究结果有助于并行微通道的结构设计与优化,以实现更为均匀的气液两相流动分配。     

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。     

微通道中油水两相流的泊肃叶数影响因素

泊肃叶数是表征微通道阻力特性的重要参数。为了研究微米级通道中油水两相流动速度和含油率对泊肃叶数的影响,文中选用水力直径为195μm的微通道和8μm的过渡型微通道,对不同雷诺数和含油率的油水两相流动进行了实验研究和理论分析。研究结果表明:对于这2种尺度的微通道,油水两相流的泊肃叶数随雷诺数和含油率的变化规律有明显的差异。对于195μm的微通道,雷诺数对泊肃叶数没有明显影响,而在含油率为0.3和0.7时泊肃叶数分别达到最小值约30和最大值约120。对于8μm的过渡型微通道,雷诺数和含油率都对泊肃叶数有明显影响,在含油率为0.6时泊肃叶数达到最大值约300。分析了泊肃叶数与油水两相流流型的相关性,提出了泊肃叶数与雷诺数以及含油率之间的关系式。     

T形微通道结构中液液两相流动与传质规律

对单级和双级T形微通道结构中水和甲苯两相流动与传质进行了实验与模拟,拍摄了两相流动流型变化,通过测量醋酸在水和甲苯两相的分配获得了T形微通道中液液两相传质系数.采用VOF流体力学模型模拟了T形微通道中弹状流的形成和变化过程,准确预测了弹状尺寸.研究发现,无论流动处于弹状流还是并行流,在保持相同停留时间条件下,双级T形微...     

垂直受热通道中气液两相流传热性能的研究

在垂直受热通道中气液两相流的传热是一种从单相流、泡状流、弹状流、搅拌流直至环状流的各种流型的气、液两相复杂传热。本文采用了特制的实验研究设备,以水及其蒸汽为介质,研究了各种流型的传热特性及其影响因素(进料质量流速、热通量以及干度等),探讨了成膜条件,并用J.C.Chen双机理传热模型计算、分析了在不同情况下各机理对传热所起的作用。     

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。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

短程混凝-膜过滤工艺清洗过程中气液两相流对絮体形成的影响

基于数值模拟的方法研究了不同填充密度和不同曝气强度下短程混凝-膜过滤工艺中膜清洗过程反应器内流场特性。结合絮凝动力学理论,引入微涡旋尺度参数来判定影响絮体形成的流场状态,以评估膜清洗过程中曝气强度对絮体形成及膜清洗效果的影响,并用实时图像技术对模拟结果进行验证。研究结果表明,反应器填充密度为7.38%,气水比为15：1时,反应器内平均有效能耗适中,且形成的微涡旋尺度也适中,不会对絮体产生明显的破坏作用,有利于形成较大尺寸的絮体;同时在膜组件附近产生较强的水流剪切速度,使膜面得到有效的清洗。结合实验分析,反应器填充密度为7.38%,气水比为15：1时,反应器内形成的絮体粒径较大且与数值模拟得到的微涡旋尺度相近,上清液UV₂₅₄和TOC值最低,去除效果最好。     

短程混凝-膜过滤工艺清洗过程中气液两相流对絮体形成的影响

基于数值模拟的方法研究了不同填充密度和不同曝气强度下短程混凝-膜过滤工艺中膜清洗过程反应器内流场特性。结合絮凝动力学理论,引入微涡旋尺度参数来判定影响絮体形成的流场状态,以评估膜清洗过程中曝气强度对絮体形成及膜清洗效果的影响,并用实时图像技术对模拟结果进行验证。研究结果表明,反应器填充密度为7.38%,气水比为15:1时,反应器内平均有效能耗适中,且形成的微涡旋尺度也适中,不会对絮体产生明显的破坏作用,有利于形成较大尺寸的絮体;同时在膜组件附近产生较强的水流剪切速度,使膜面得到有效的清洗。结合实验分析,反应器填充密度为7.38%,气水比为15:1时,反应器内形成的絮体粒径较大且与数值模拟得到的微涡旋尺度相近,上清液UV254和TOC值最低,去除效果最好。     

板式微通道的液-液两相分离作用研究

构造板式微通道用于互不相溶的液-液两相分散体系的连续快速分离。通过改变上板的材料可以构造GS-PTFE、SS-PTFE和PTFE-PTFE 3种类型的板式微通道。萃取后产生的油水分散体系在微通道中通过与通道上下壁面的相互作用实现油水两相的快速分离,分离后的油相从微通道的油相出口流出,水相从水相出口流出。微通道的分离效率与微通道的高度、液-液分散体系在通道中的体积流率、微通道与液-液分散体系的接触时间以及微通道的类型有关。高度为100μm的GSPTFE型微通道在体积流率低于4.8 m L/min的条件下可以实现油水两相的完全分离,其分离效率为100%。相比于传统的重力沉降分离方式,板式微通道极大地节约了液-液两相分离的时间,提高了工作效率。     

微通道内传递对液液分散过程的影响规律

在同轴环管微通道中,采用水/正辛醇形成两相体系,利用硫酸向水中传质并释放热量以实现伴随传质传热的微分散过程,研究了两相流速、硫酸浓度对两相流型和液滴大小的影响规律。结果发现,传递会引发O/W/O新流型的产生和流型分布区域变化。探讨了传递强度对于分散液滴尺寸的影响,通过计算液滴脱落时的动态界面张力,分析了传质和传热对于液液微分散影响的大小。     

微通道液-液两相流动特性实验研究

利用高速摄像机与Canny算法,以硅油为离散相,含0. 5%SDS的蒸馏水为连续相,研究了凹穴型微通道内液-液两相流动特性。结果表明,直通道内观察弹状流、过渡流、滴状流3种流型。随着毛细数的增大,液滴形成机理由挤压机制向剪切机制转变,液滴速度逐渐增大,液滴长度逐渐减小。随着连续相流量的增加,液滴形成时间逐渐减小,且挤压机制生成液滴的时间大于剪切机制。凹穴结构减弱了壁面对液滴的限制,液滴速度降低,T型交汇处压差降低,相同工况下的液滴尺寸大于对冲T型微通道的液滴尺寸。