就傳質性能的研究而言，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 / 液傳質過程進行強化。在分散液柱的流動過程中，液柱內產(chǎn)生的相內循環(huán)能夠大大加速相內的混合，因此，把微氣柱分散在液體中，以將液體分隔成液柱，可以實現(xiàn)相內混合、相間傳質過程的強化。由于氣相和液相的性質差異明顯，容易實現(xiàn)快速分相，這一新方式在涉及相內快速混合與反應過程的眾多領域有著很好的應用前景。
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 / 氣泡強化液 / 液相間傳質
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“珍珠項鏈”式流動、氣泡引起液 / 液界面彎曲的流動、水相包圍氣泡的流動和氣相將水相壓縮成薄層的流動等豐富的流型。
當無氣相引入時，液 / 液兩相呈穩(wěn)定的層流流動，以擴散的方式進行相間傳質；當氣相的表觀流速較小時，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；隨著氣相表觀流速的增大，氣泡逐漸轉變成氣柱；隨著氣相表觀流速的進一步增大，氣體占據(jù)微通道的主要位置，而水相和有機相均被擠壓到微通道的壁面，形成薄層，在這種情況下，氣相的慣性力強于液 / 液體系的界面力，水相被破碎成約為 10 ～ 20μm 的液滴，此時，液 / 液體系的界面積很大，同時界面在氣相的擾動下產(chǎn)生強烈的湍動，使液 / 液相間傳質過程得以強化。
研究者計算了氣相的引入對液 /液體系總體積傳質系數(shù)的影響。結果表明，總體積傳質系數(shù)隨著氣相表觀流速的增大而顯著增大，比傳統(tǒng)設備高 2 個數(shù)量級。這說明，微氣泡 / 氣柱的引入可以有效地強化液 / 液相間傳質過程。
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化極端相比液 / 液萃取過程。發(fā)展了多種氣相強化液 / 液微尺度傳遞性能的方式，如圖 2所示，基于擴散理論和微尺度氣泡群流動的特性，建立了預測氣 / 液 / 液體系傳質過程的物理和數(shù)學模型，分析指出了微尺度氣泡強化傳質性能的機理。實驗結果表明，微氣泡的加入可以有效地強化混合及傳質過程，使萃取過程的總體積傳質系數(shù)達到 21s−1。相比于無氣相擾動的液 / 液微分散萃取過程，總傳質系數(shù)提高了10 倍以上。
參考文獻
[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 - 液分離與反應過程微型化的基礎研究 [D]. 北京 : 清華大學 , 2011.
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