孫俊杰，郝婷婷，馬學虎，蘭忠

(遼寧省化工資源清潔利用重點實驗室，大連理工大學化學工程研究所，遼寧 大連 116024)

引 言

20 世紀90年代以來，隨著微全分析系統(tǒng)（μ-TAS）和微機電系統(tǒng)（MEMS）概念的提出和發(fā)展，微化工在自然科學和化工工程技術領域中愈發(fā)受到人們關注，保持著高速的發(fā)展，微化工技術也成為化學工程學科發(fā)展的新的重要方向之一[1-2]。德國、美國、日本、法國、荷蘭、英國和中國等國家的相關研究單位對微化工技術投入大量研究并取得了一定成績。中國科學院大連化學物理研究所自20 世紀90年代以來，開展了微反應器的制備、微混合技術、微反應等微化工技術方面的研究[3-5]。國內開展與“微化工技術”相關研究的單位還有清華大學[6-7]、華東理工大學[8-9]等高校。微化工技術作為化工過程強化的一種新技術，將在化學、化工、能源、環(huán)境等領域得到廣泛應用，并對化學化工領域產生相當的影響[10-14]。

氣液兩相流在化學、化工、能源等方面應用很廣，氣-液微接觸系統(tǒng)作為微化工技術的重要組成部分，也越來越為人們所關注[15]。Triplett 等[16]在親水性玻璃微通道內觀測到的氣液兩相流流型為泡狀流、翻騰流、彈狀流、彈狀-環(huán)狀流和環(huán)狀流，研究表明現有關聯式不適用于微通道內氣液兩相流，微通道內氣液兩相流流型的轉變關系以及流型圖還需在一定的理論基礎和大量的實驗基礎上得以確定和發(fā)展。Lee 等[17]在疏水性聚四氟乙烯管內觀察到氣液兩相流流型為彈狀流、溪狀流和環(huán)狀流。目前關于疏水表面微通道內氣液兩相流動規(guī)律的研究較少。Zhao 等[18]研究指出作為微通道中氣液兩相流中最重要的流型之一，彈狀流因其氣泡和液彈交替出現，氣泡和微通道壁面之間存在薄液膜的特點被認為是最適合于進行氣液相反應的兩相流型，在多種微應器中有廣泛應用。Aoki 等[19]通過實驗研究了微通道內CO2-0.1 mol·L-1NaOH 溶液氣液兩相彈狀流傳質，并指出液側體積傳質系數kLa 中的kL主要與液彈內循環(huán)區(qū)域液體流動速度和液彈內循環(huán)區(qū)域路徑長度有關，a 主要與氣液兩相的接觸面積有關。

本文重點研究了矩形微通道內壁面潤濕性對二氧化碳-水氣液兩相流型以及傳質效果的影響；還研究了親水微通道內氣、液相表觀流速對彈狀流流體力學性質的影響，探索微通道內氣-液兩相流動及傳質規(guī)律，為后期微通道內過程強化提供理論指導。

1 實驗方法

1.1 微通道結構

微通道主要結構為在紫銅板上經微機械加工而成的T 型微通道，如圖1 所示，當量直徑為1 mm（矩形截面，深1 mm、寬1 mm）。氣、液兩相進口段長為15 mm，兩者間夾角為90°，氣液混合段長度為40 mm。上蓋以一有機玻璃板擰緊密封，紫銅板和有機玻璃板之間放一層透明硅膠片增強密封性。

圖1 微通道結構圖Fig.1 Structure of microchannel

1.2 實驗系統(tǒng)

實驗研究CO2-H2O 體系下的兩相流流動性質。實驗原理如圖2 所示。CO2由鋼瓶提供，通過氣體質量流量計（0-50SCCM，S49-32B/MT，北京匯博隆儀器）調節(jié)氣體流量，流入圖1 中氣相進口，用壓力傳感器測量通道入口處氣體壓力。液相是去離子水，用高壓恒流泵（0～40 ml·min-1，P230PⅡ，依利特）注入圖1 中液相進口。氣液兩相在氣液混合段混合，由高速攝像儀系統(tǒng)（Ultima APX-RS Photron 美國）實時觀測并拍攝主通道內氣液兩相流動性質。然后通過圖1 中出口排出，流入到錐形瓶中。

采用酸堿滴定法測定蒸餾水對CO2的吸收量。具體方法入如下：氣液兩相在微通道混合吸收后流入錐形瓶中，從錐形瓶中取5 ml 吸收液，加入5 ml 0.1 mol·L-1NaOH 溶液和2 ml 0.2 mol·L-1BaCl2溶液，滴加2～3 滴酚酞作指示劑。將該混合溶液搖勻后，用0.1 ml·L-1的HCl 溶液滴定。滴定到達終點時，混合溶液由紅色變?yōu)榘咨?。每次滴定? 組平行實驗，取平均值，3 次平行試驗的相對誤差小于10%。

配置2.5 mmol·L-1十八烷基硫醇乙醇溶液，使用其對銅基微通道進行表面疏水化處理，用表面接觸角儀測定疏水化處理前后銅表面的接觸角分別為θ=43.7°和θ=114.6°。分別在親、疏水表面下做CO2-H2O 兩相流和傳質實驗。實驗在常溫常壓下進行（0.1 MPa，24～26℃）。

圖2 微通道內CO2-H2O 兩相流及吸收實驗裝置圖Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for CO2-H2O two-phase flow and absorption in microchannel

1.3 數據處理

通過高速攝像儀拍到的圖片可以直觀看出兩相流流型。彈狀流中氣泡LB、液彈的長度LS從拍攝的圖片中利用軟件（Image-Pro Plus）測量得到。

去離子水吸收二氧化碳，由于CO2在水中的溶解度較小，傳質總阻力近似等于液相傳質阻力，傳質速率由液膜控制，則微通道液側體積傳質系數的計算公式為

對彈狀流區(qū)域內氣泡和液彈的形狀進行適當簡化以計算氣液兩相傳質比表面積。假設：（1）每個流速下，氣泡和液彈的長度均一；（2）氣泡的前后兩端為半球形，中間為圓柱體；（3）氣泡和液彈的運動速度一致，無相對運動。

圖3 彈狀流示意圖Fig.3 Profile of slug flow

選取一個泰勒單元即一個氣泡和液彈做計算

其中液膜厚度δf由van Baten 等[20]指出：

根據式（1）和式（4），可求得液膜傳質系數

為了綜合考慮流型以及流速對傳質效果的影響，設計變量——比表面積傳遞通量Na，其物理意義為單位時間單位通道橫截面積通過的氣液兩相傳質面積的大小

2 實驗結果與討論

2.1 流型

圖4 為實驗觀察到的T 型1 mm×1 mm 水平矩形親水微通道內CO2-H2O 兩相流在不同流速下的流型。（a）泡狀流：氣相以小氣泡的形式分散在液相中間，氣泡直徑小于或等于通道直徑。（b）泡狀-彈狀流：介于泡狀流和彈狀流之間的過渡流型。同彈狀流相似，氣泡被液彈分開，但在液彈中也會分散一些小氣泡。（c）彈狀流：氣相以橢球狀的形式分散在液相中，氣泡的直徑接近通道直徑，氣泡長度通常是管徑的2～10 倍左右，氣泡和管壁被一層很薄的液膜分開。

圖5 為實驗察到的T 型1 mm×1 mm 水平矩形疏水微通道內CO2-H2O 兩相流在不同流速下的流型。（a）非對稱彈狀流：氣相以非對稱的小氣彈形式分散在液相中間，相鄰兩個氣彈之間的液彈的長度很長。（b）拉長的非對稱彈狀流：與非對稱彈狀流相比，氣彈長度大幅度增大，但形狀仍然不對稱，液彈長度縮短。（c）分層流：氣液兩相分層流動，清晰的氣液相界面將兩相隔開。

圖4 親水微通道內CO2-H2O 氣液兩相流主要流型Fig.4 Representative photographs of CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns in hydrophilic microchannel

圖5 疏水微通道內CO2-H2O 氣液兩相流主要流型Fig.5 Representative photographs of CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns in hydrophobic microchannel

圖6 為T 型1 mm×1 mm 水平矩形微通道內不同壁面潤濕性下CO2-H2O 兩相流型圖。圖6(a)為親水壁面條件下本實驗流型圖與Triplett 等[16]實驗結果對比圖。Triplett 等實驗中，微通道為內徑1.097 mm 的玻璃管，氣液兩相流體分別為空氣和水。從圖中可以看出兩者比較相符，左上方都出現了泡狀流，彈狀流占大部分區(qū)域。不同點是本文中泡狀-彈狀流轉換線出現更早，這是因為二者通道橫截面形狀明顯不同，矩形通道邊角效應導致。圖6(b)為疏水壁面條件下本實驗流型圖與Choi 等[21]實驗結果對比圖。Choi 等實驗中，微通道尺寸為608 μm×410 μm，壁面接觸角為105°，氣液兩相流體分別為二氧化碳和水。從圖6 中可以看出兩者都出現了分層流。不同點是本實驗中出現了Choi 等文獻中沒有出現的非對稱彈狀流和拉長的非對稱彈狀流，這可能是因為隨著通道當量直徑的增大，氣相和液相的慣性力更加明顯，更容易將氣相和液相剪斷形成氣彈和液彈，進而取代分層流形成非對稱彈狀流。Wielhorski 等[22]研究也發(fā)現，疏水微通道與親水微通道相比，液相對氣相的擠壓力較小，不容易將氣相剪斷，形成長氣彈。另外Triplett 等[16]實驗中的彈狀-環(huán)狀流、環(huán)狀流、翻騰流和Choi 等[21]實驗中的夾帶式分層流在本文實驗中沒有觀測到，這是由 于氣液相流速較小。

圖6 矩形微通道內CO2-H2O 氣液兩相流型轉換圖Fig.6 CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns map in rectangular microchannel

2.2 彈狀流流體力學性質

圖7 為氣泡長度與氣相、液相表觀流速關系圖。從圖7(a)中可以看出，液相表觀流速一定的條件下，氣泡長度隨氣相表觀流速的增大而增大，且氣相表觀流速較小時增幅不大，氣相表觀流速較大時增幅較大。這是因為隨著氣相表觀流速增大，通道截面含氣率上升，氣泡長度增大，并且氣相表觀流速越大這種影響越明顯。從圖7(b)中可以看出氣相表觀流速一定的條件下，氣泡長度隨液相表觀流速的增大而減小，且液相表觀流速較小時氣泡長度的減小幅度較大，液相表觀流速較大時氣泡長度減小幅度較小。這是因為氣相表觀流速一定時，隨著液相表觀流速增大，通道截面含氣率相對減小，導致氣泡長度減小，然而隨著液相表觀流速的繼續(xù)增大，氣泡長度逐漸趨于穩(wěn)定，液相表觀流速進一步增大時，將形成泡狀流，彈狀氣泡的長度不能更小。圖8 為氣液表觀流速之比和氣泡長度關系的擬合曲線圖，從圖中可以發(fā)現擬合曲線與實驗數據吻合較好。隨著氣液速度比值的增加，氣彈的長度呈線性增加。

圖7 親水微通道內氣泡長度與氣、液表觀流速關系圖Fig.7 Bubble length versus superficial gas velocity and liquid velocity in hydrophilic microchannel

圖8 氣泡長度與氣、液表觀流速之比的關系Fig.8 Bubble length versus ratio of gas superficial velocity and liquid superficial velocity

圖9 親水微通道內液彈長度與氣、液表觀 流速關系圖Fig.9 Liquid slug length versus superficial gas velocity and liquid velocity in the hydrophilic microchannel

圖9 為液彈長度與氣相、液相表觀流速關系圖。從圖9(a)中可以看出，液相表觀流速一定的條件下，液彈長度隨氣相表觀流速的增大而減小，并且當氣 相表觀流速較小時，液彈長度的減幅較大，而當氣相表觀流速增大到一定范圍時，液彈長度基本不變。這是因為隨著氣相表觀流速增大，通道截面含氣率增大，則液彈長度減小，隨著氣相表觀流速的繼續(xù)增大，液彈長度減到不足1.5 mm，難以繼續(xù)減小，趨于穩(wěn)定。從圖9(b)中可以看出當氣相表觀流速很?。║G=0.083 m·s-1）時，液彈長度隨液相表觀流速的增大而增大，當氣相表觀流速較大（UG＞0.083 m·s-1）時，液彈長度隨液相表觀流速的增大先增大后減小，但增大和減小的幅度都不大。這是因為氣速較小時，氣相對液相的剪切力較弱，而隨著液相表觀流速的增大，同一時間內進入微通道內液相的量增大，在T 通道交叉口處氣相不容易將液相剪斷，則液彈長度增大；而氣相表觀流速較大時，其對液相的剪切力增大，在T 通道交叉口處容易將液相剪斷形成短液彈，但由于液相表觀流速增大使得通道截面含液率增大，容易形成長液彈，二者共同作用，液速較?。║L＜0.20 m·s-1）時，后者起主要作用，液彈長度略有增大，液速較大（UL＞0.20 m·s-1）時，前者起主要作用，液彈長度略有減小。

2.3 傳質

從圖10(a)中可以看出，隨著氣相表觀流速的增大，液側體積傳質系數kLa，液膜傳質系數kL，傳質比表面積a，以及Na均增大。這是因為氣相表觀流速的增大，使得液彈內循環(huán)區(qū)域液體流動速度增大，促進傳遞組分在液彈中的混合，使得kL增大；同時通道截面含氣率上升，氣泡長度增大，氣液兩相接觸面積增大，a 值增大，Na也增大，所以kLa增大。

圖10 氣液表觀流速對液側體積傳質系數kLa，液膜傳質系數kL，傳質比表面積a 的影響Fig.10 Effect of superficial gas and liquid velocities on liquid volumetric mass transfer coefficient kLa, liquid side mass transfer coefficient kL, and interfacial area a

從圖10(b)中可以看出，隨著液相表觀流速的增大，液側體積傳質系數kLa，液膜傳質系數kL，以及Na均增大，但傳質比表面積a 減小。這是因為液相表觀流速的增大，使得液彈內循環(huán)區(qū)域液體流動速度增大，促進傳遞組分在液彈中的混合，使得kL增大；通道截面含氣率下降，氣泡長度減小，氣液兩相接觸面積減小，a 值減小，但由于流速增大，Na為二者乘積，計算得Na增大，說明單位時間單位通道橫截面積通過的氣液兩相傳質面積增大，所以液側體積傳質系數kLa 增大。

圖11 為氣液表觀流速和液側體積傳質系數kLa定量關系的擬合曲線圖，從圖中可以發(fā)現擬合曲線與實驗數據的吻合度較好。液側體積傳質系數kLa均隨氣、液表觀流速的增大而增大。

圖11 氣液表觀流速與液側體積傳質系數kLa 關系圖Fig.11 Liquid volumetric mass transfer coefficient kLa versus superficial gas and liquid velocities

液側體積傳質系數kLa 與隨通道壁面潤濕性的變化如圖12 所示。從圖中可以看出，親水壁面比疏水壁面下的液側體積傳質系數kLa 要大。如圖12 所示，該實驗條件下親水壁面微通道內流型全部為彈狀流，疏水壁面微通道內流型全部為分層流，相比彈狀流，由于分層流中氣相只有一側與液相接觸，故氣液相界面積a 要小很多，使得親水壁面比疏水壁面下的液側體積傳質系數kLa 要大。

圖12 液側體積傳質系數kLa 與壁面潤濕性關系圖Fig.12 Liquid volumetric mass transfer coefficient kLa versus wettability of microchannel

3 結 論

（1）親水壁面下主要流型為：泡狀流、彈狀流；疏水壁面下主要流型為：非對稱彈狀流、拉長的非對稱彈狀流和分層流。

（2）親水壁面彈狀流區(qū)域下，氣、液表觀流速對氣泡、液彈長度有顯著影響：氣泡和液彈長度隨氣、液表觀流速之比的增大分別增大和減小；但當液相表觀流速較大時，氣泡和液彈長度變化幅度不大，當氣相表觀流速較大時，液彈長度隨著液、氣表觀流速之比先增大后減小。

（3）液側體積傳質系數kLa 均隨氣、液相表觀流速的增大而增大，隨通道壁面潤濕性的增強而增大，且親水微通道比疏水微通道內的kLa 值提高30%左右。

符 號 說 明

a ——以通道內部體積為基準的氣液兩相傳質比表面積，m2·m-3

Ca ——毛細數

ce——液相中CO2的平衡摩爾濃度，kmol·m-3

c0——微通道入口處液相中CO2的摩爾濃度，kmol·m-3

c1——微通道出口處液相中CO2的摩爾濃度，kmol·m-3

dB——氣泡直徑，m

kL——液膜傳質系數，m·s-1kLa ——液側體積傳質系數，s-1

L ——微通道長度，m

LB——氣泡長度，m

LS——液彈長度，m LUC——單元長度，m

Na——比表面積傳遞通量，m2·(m2·s)-1

UB——氣泡運動速度，m·s-1

UL——微通道液相表觀流速，m·s-1

Uslug——液彈平均運動速度

w ——微通道寬度，m

δf——液膜厚度，m

μL——液相黏度，Pa·s

σ ——表面張力，N·m-1

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