就傳質(zhì)性能的研究而言，對于氣 / 液 / 液體系典型研究是將微氣泡 / 氣柱引入液 / 液體系，對其液 / 液傳質(zhì)過程進(jìn)行強(qiáng)化。在分散液柱的流動(dòng)過程中，液柱內(nèi)產(chǎn)生的相內(nèi)循環(huán)能夠大大加速相內(nèi)的混合，因此，把微氣柱分散在液體中，以將液體分隔成液柱，可以實(shí)現(xiàn)相內(nèi)混合、相間傳質(zhì)過程的強(qiáng)化。由于氣相和液相的性質(zhì)差異明顯，容易實(shí)現(xiàn)快速分相，這一新方式在涉及相內(nèi)快速混合與反應(yīng)過程的眾多領(lǐng)域有著很好的應(yīng)用前景。
Su 等 [1] 對 T 形微通道中水萃取煤油 / 磷酸三丁酯中的醋酸的過程進(jìn)行了研究。研究者分別觀測了在氣相入口處和流型充分發(fā)展處，氣相的表觀流速對液 / 液兩相的分散狀態(tài)的影響，如圖 1 所示。
圖 1 引入微氣柱 / 氣泡強(qiáng)化液 / 液相間傳質(zhì)
從圖中可以看出，在氣相入口處，氣相的加入可以打破液 / 液體系的層流，并隨著氣 / 液 / 液三相表觀流速的不同，出現(xiàn)氣柱和液柱交替出現(xiàn)的“珍珠項(xiàng)鏈”式流動(dòng)、氣泡引起液 / 液界面彎曲的流動(dòng)、水相包圍氣泡的流動(dòng)和氣相將水相壓縮成薄層的流動(dòng)等豐富的流型。
當(dāng)無氣相引入時(shí)，液 / 液兩相呈穩(wěn)定的層流流動(dòng)，以擴(kuò)散的方式進(jìn)行相間傳質(zhì)；當(dāng)氣相的表觀流速較小時(shí)，所形成的微氣泡將水相分散成液柱，形成液柱和氣泡交替出現(xiàn)的分散流動(dòng)；隨著氣相表觀流速的增大，氣泡逐漸轉(zhuǎn)變成氣柱；隨著氣相表觀流速的進(jìn)一步增大，氣體占據(jù)微通道的主要位置，而水相和有機(jī)相均被擠壓到微通道的壁面，形成薄層，在這種情況下，氣相的慣性力強(qiáng)于液 / 液體系的界面力，水相被破碎成約為 10 ～ 20μm 的液滴，此時(shí)，液 / 液體系的界面積很大，同時(shí)界面在氣相的擾動(dòng)下產(chǎn)生強(qiáng)烈的湍動(dòng)，使液 / 液相間傳質(zhì)過程得以強(qiáng)化。
研究者計(jì)算了氣相的引入對液 /液體系總體積傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，總體積傳質(zhì)系數(shù)隨著氣相表觀流速的增大而顯著增大，比傳統(tǒng)設(shè)備高 2 個(gè)數(shù)量級。這說明，微氣泡 / 氣柱的引入可以有效地強(qiáng)化液 / 液相間傳質(zhì)過程。
譚璟 [2] 針對蒽醌法制備 H2O2 的極端相比萃取過程，提出利用微氣泡群強(qiáng)化極端相比液 / 液萃取過程。發(fā)展了多種氣相強(qiáng)化液 / 液微尺度傳遞性能的方式，如圖 2所示，基于擴(kuò)散理論和微尺度氣泡群流動(dòng)的特性，建立了預(yù)測氣 / 液 / 液體系傳質(zhì)過程的物理和數(shù)學(xué)模型，分析指出了微尺度氣泡強(qiáng)化傳質(zhì)性能的機(jī)理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，微氣泡的加入可以有效地強(qiáng)化混合及傳質(zhì)過程，使萃取過程的總體積傳質(zhì)系數(shù)達(dá)到 21s−1。相比于無氣相擾動(dòng)的液 / 液微分散萃取過程，總傳質(zhì)系數(shù)提高了10 倍以上。
參考文獻(xiàn)
[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] 譚璟 . 氣 - 液分離與反應(yīng)過程微型化的基礎(chǔ)研究 [D]. 北京 : 清華大學(xué) , 2011.
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