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微通道内气液两相流动及传质过程研究

季喜燕  
【摘要】:近年来,微化工技术已成为化学工程学科中一个新的发展方向和研究热点。微化工设备的主要组成部分是特征尺度为纳米到微米级的微通道,因此,微通道内的流体流动和传递行为就成为微化工系统设计和实际应用的基础,对其进行系统深入的研究具有重要意义。 利用高速摄像仪和测压系统对水力学直径为100μm量级的矩形截面微通道内气液两相的流动型态、空隙率和压力降进行了实验测定,得到了流型转换图和转换线方程。结果表明,在微尺度条件下,矩形截面微通道的截面深宽比对空隙率和压力降有重要影响。分别提出了微尺度下空隙率和压力降的预测模型,预测结果与本文及文献报道的实验结果吻合良好。 对微通道内物理吸收过程中的压力变化进行了实验测定,由压力变化计算得到了吸收过程的液相侧体积传质系数kLa。结果表明,微通道内径和液相毛细管数对kLa有重要影响,据此拟合得到了kLa的无量纲关联式。本文提出的压力法克服了滴定法测定浓度在微尺度条件下应用的限制。利用高速摄像仪记录了物理吸收过程中Taylor气泡的变小过程,得到气泡长度随时间的变化关系,并由此得出液相传质系数kL以及两相流的比表面积a。结果表明,微通道内kLa较常规通道中大2~3个数量级主要归因于两相比表面积a的增大,kL则与常规管道中基本相同。 采用激光显微全息干涉法对微通道入口处Taylor气泡形成过程中的液相侧浓度分布进行了研究。利用图像采集系统对干涉条纹的变化过程进行实时记录,并对干涉条纹图进行处理,得到了Taylor气泡形成过程中液相侧浓度分布和近界面浓度边界层厚度。结果表明,在Taylor气泡形成过程中有较强的传质发生,液相近界面浓度和浓度边界层厚度均随着气液相流速的增大而减小。 基于Navier-Stokes方程和表面张力模型,利用VOF法对微通道内Taylor流动进行了模拟,并考察了各物理参数对流动过程的影响,模拟结果与实验结果吻合良好,验证了模型的准确性。以计算得到的稳定Taylor流动为基础,通过求解对流扩散方程,模拟了Taylor气泡单元内的传质过程。结果显示,Taylor气泡单元的物理吸收过程主要发生在液膜内。模拟得到的kLa值与实验结果及渗透理论计算结果吻合良好。模拟得到了不同参数对微通道内Taylor气泡单元传质过程的影响,可作为微流体设备设计及应用的理论基础。


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