張璠玢，朱春英，付濤濤，姜山，杜威，張沁丹，馬友光

（化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津大學化工學院，天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

微通道內(nèi)離子液體/乙醇混合溶液吸收CO2的傳質(zhì)特性

張璠玢，朱春英，付濤濤，姜山，杜威，張沁丹，馬友光

（化學工程聯(lián)合國家重點實驗室，天津大學化工學院，天津化學化工協(xié)同創(chuàng)新中心，天津 300072）

采用高速攝像儀對微通道內(nèi)離子液體/乙醇混合溶液吸收CO2的傳質(zhì)行為進行了實驗研究?？疾炝藦棤盍餍拖職庖簝上嗔髁勘群碗x子液體濃度對液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL的影響。當離子液體濃度不變時，kLa、kL均隨氣液流量比的升高而增大并逐漸趨于恒定。當液相流量不變時，對于不同濃度的離子液體溶液，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL隨氣液流量比的變化曲線出現(xiàn)了交叉點。在交叉點之前，kLa和kL均隨著離子液體濃度的增大而減??；在交叉點之后，kLa和kL均隨著離子液體濃度的增大而增大。提出了用于預(yù)測液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的新的量綱1經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式，預(yù)測效果良好。

微通道；離子液體；吸收；二氧化碳；傳質(zhì)

引 言

近年來，CO2作為主要的溫室氣體，其過量排放造成了日益嚴重的全球溫室效應(yīng)，因此，CO2的捕集和封存對于抑制溫室效應(yīng)至關(guān)重要[1]。同時，由于CO2本身是一種安全、無毒、易得的碳資源，對其進行資源化利用也具有重要意義。目前，工業(yè)上廣泛采用醇胺類物質(zhì)吸收CO2，如單乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)及甲基二乙醇胺(MDEA)等。醇胺吸收法吸收速率較快，但液體胺存在腐蝕設(shè)備、易揮發(fā)、吸收成本高和再生能耗大等問題[2]。

離子液體(ionic liquid，IL)是一種在室溫或接近室溫條件下呈液態(tài)、完全由離子組成的鹽。與傳統(tǒng)有機溶劑相比，離子液體具有低飽和蒸氣壓、不易揮發(fā)、熱穩(wěn)定性好且選擇性好等優(yōu)點，是一種新型的綠色溶劑。研究表明，CO2氣體在離子液體中具有較高的溶解度[3-5]。相比于H2、O2、CH4、N2等氣體，離子液體對CO2的吸收選擇性更好[6-9]。這也為煙道氣、天然氣等混合氣中CO2的吸收脫除提供了新的選擇。同時，離子液體吸收CO2的過程完全可逆，溶劑再生過程較容易實現(xiàn)。但是，離子液體黏度大、價格高，這也限制了其在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用。為此，研究者開始將離子液體與其他純?nèi)軇┻M行復(fù)配來解決上述問題[5,10-15]。乙醇作為一種常用的有機溶劑，具有黏度低、安全無毒、廉價易得等特點，能夠與離子液體互溶并有效降低混合溶液的黏度。因此，離子液體/乙醇混合溶液結(jié)合了兩者各自的優(yōu)點，有望成為一種新型的CO2吸收劑。

傳統(tǒng)工業(yè)中，CO2的吸收過程通常在吸收塔等大型設(shè)備中進行，成本高且吸收效率低。相比之下，微反應(yīng)器能夠提供高比表面積，進而提高傳質(zhì)效率，提高能量利用率，減小反應(yīng)系統(tǒng)體積[16-20]，為實現(xiàn)CO2的高效吸收提供了可能。文獻中已有一些學者針對微通道內(nèi)CO2氣體的吸收過程進行了研究。Ganapathy等[21]以CO2/N2混合氣體為分散相，DEA水溶液為連續(xù)相，得到的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)吸收設(shè)備高出2～4個數(shù)量級，研究了不同通道當量直徑和不同氣液相濃度組成對壓降、吸收率、傳質(zhì)系數(shù)、Sherwood數(shù)等的影響，并建立了Sherwood數(shù)的經(jīng)驗關(guān)聯(lián)式。Cubaud等[22]針對蛇形長通道內(nèi)水吸收CO2的過程進行了研究，考察了氣泡初始長度與初始液相分率之間的關(guān)系，并對氣體溶解規(guī)律以及通道內(nèi)的流型轉(zhuǎn)變規(guī)律進行了研究。Lokhat等[23]采用降膜微反應(yīng)器研究了乙二醇溶液吸收CO2的傳質(zhì)過程，考察了微反應(yīng)器放置角度以及氣相流量對傳質(zhì)系數(shù)的影響，結(jié)果表明，在相同氣速下，液測傳質(zhì)系數(shù)隨著微反應(yīng)器傾斜角度的增大而增大，而在微反應(yīng)器傾斜角度較小時，氣速的增大能顯著提高傳質(zhì)效果。Yue等[24]分別采用水、NaHCO3/Na2CO3緩沖液以及NaOH溶液吸收CO2，研究了水力直徑為667 μm的微通道內(nèi)的物理吸收和化學吸收過程，計算得到的體積傳質(zhì)系數(shù)kLa為0.3～21 s-1，比傳統(tǒng)氣液反應(yīng)器的傳質(zhì)系數(shù)高1～2個數(shù)量級。Yao等[25]對微通道內(nèi)乙醇水溶液吸收CO2過程進行了研究，得到了吸收過程中氣泡長度的變化規(guī)律，確定了傳質(zhì)系數(shù)與乙醇水溶液濃度之間的關(guān)系。Zhu等[26]對微通道內(nèi)CO2的MEA溶液化學吸收過程進行了研究，分別考察了氣液流量和MEA溶液濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響，并建立了體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測模型。然而，迄今鮮有關(guān)于微通道內(nèi)離子液體/無水溶劑混合溶液吸收CO2的文獻報道。

本文利用高速攝像儀對T型微通道內(nèi)彈狀流條件下IL/無水乙醇混合溶液吸收CO2的傳質(zhì)過程進行了觀測記錄，采用可視化在線分析法考察了氣、液兩相流量以及混合溶液中IL濃度對氣泡長度、液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)的影響?？紤]操作條件和離子液體濃度對傳質(zhì)效果的影響，提出了新的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測式。

1 實 驗

實驗裝置如圖1所示。分別用兩個微量注射泵（Harvard Apparatus, PHD2000, USA, 誤差為1%）驅(qū)動氣相和液相進入水平放置的微通道，氣液兩相流經(jīng)微通道后進入收集瓶。微通道進口壓力由壓差傳感器（Honeywell ST3000, USA）進行測量，出口壓力為大氣壓，壓降測量誤差為0.8%。實驗過程中固定液相流量不變，改變氣相流量。每次改變流量后，待流型及壓力穩(wěn)定后，采用高速攝像儀（Motion Pro Y-5, USA）對通道內(nèi)氣液兩相流動及傳質(zhì)過程進行實時觀測并記錄，拍攝頻率設(shè)定為1000幀/秒。

圖1 實驗裝置Fig. 1 Schematic diagram of experimental setup

氣相采用CO2氣體（質(zhì)量分數(shù)≥99%，天津市六方高科技氣體供應(yīng)站），液相采用不同濃度的1-丁基-3-甲基咪唑四氟硼酸鹽[bmim][BF4]（純度≥99%，河南利華制藥公司）和無水乙醇（質(zhì)量分數(shù)≥99.7%，天津科密歐化學試劑公司）混合溶液。實驗中，液相IL的質(zhì)量分數(shù)wIL分別為5%、15%、25%。實驗在彈狀流條件下進行，液相體積流量QL分別為20、30、40、50 ml·h-1，氣液兩相流量比QG/QL的范圍是3～11。實驗所用液體密度通過密度儀（Anton Paar, Austria）測量，液體黏度通過全自動烏氏毛細管黏度儀（iVisc, LAUDA, Germany）測量，表面張力通過表面張力儀（OCAH200, Data Physics instruments GmbH, Germany）測量。實驗在298.15 K和常壓下進行。

微通道采用PMMA（聚甲基丙烯酸甲酯）材質(zhì)的蛇形長通道，采用T型錯流進樣方式，主通道長度為130 mm，如圖2所示。微通道截面是400 μm×400 μm的正方形，氣液兩相進口段長度均為10 mm。

圖2 微通道結(jié)構(gòu)Fig. 2 Schematic diagram of microchannel structure

2 結(jié)果與討論

實驗中觀測到的流型有彈狀-泡狀流、彈狀流、彈狀-環(huán)狀流，如圖3所示。與其他流型相比，彈狀流具有良好的流動可控性和穩(wěn)定性，易于確定氣液界面和氣泡體積。因此，本文主要考察了彈狀流型下混合溶液吸收CO2的傳質(zhì)過程。

圖3 第一、二段通道內(nèi)的氣液兩相流型Fig. 3 Flow regimes of gas-liquid two-phase flow in the first and the second sections of microchannel (wIL=5%)

2.1 氣泡長度變化

通過對高速攝像儀拍攝的圖像進行處理，可以得到氣泡頭部和氣泡尾部的坐標，分別為xF和xR，如圖4所示。分別由LB=xF-xR和x=(xF+xR)/2計算得到氣泡長度LB和氣泡位置x，進而得到流動過程中單個氣泡長度的變化曲線，如圖5所示。

在微通道入口處，氣相在液相剪切力的作用下產(chǎn)生穩(wěn)定的彈狀氣泡。在氣泡脫離氣相主體后，氣液兩相間存在的傳質(zhì)推動力使得CO2被迅速吸收，氣泡長度顯著減小。隨著氣泡在微通道內(nèi)流動，吸收過程持續(xù)進行，液相中CO2濃度逐漸增大，傳質(zhì)推動力減小，吸收速率降低，氣泡長度趨于常數(shù)。固定液相流速不變，隨著氣速的增大，氣泡長度明顯增大，在流動初始階段氣泡減小的速率降低，傳質(zhì)過程經(jīng)歷的時間更長。圖6表示了IL濃度對氣泡長度變化的影響。在相同的氣液流量下，隨著混合溶液中IL濃度的增大，氣泡生成階段CO2的吸收量增大，得到的初始氣泡長度隨之減小。

圖4 微通道內(nèi)氣液兩相流動Fig. 4 Illustration of gas-liquid two-phase flow in microchannel

圖5 氣相流量對氣泡長度變化的影響Fig. 5 Influence of gas flow rate on bubble length (wIL=5%，QL=20 ml·h-1)

圖6 IL濃度對氣泡長度變化的影響Fig. 6 Influence of IL mass fraction on bubble length (QG=100 ml·h-1，QL=20 ml·h-1)

2.2 傳質(zhì)系數(shù)計算及誤差分析

在每個實驗條件下，追蹤單個氣泡在整個過程中的變化情況。當微通道內(nèi)氣泡長度變化小于等于1個像素點（0.01 mm）時，認為此時吸收過程結(jié)束，氣液兩相達到傳質(zhì)平衡，并計算從氣液兩相開始接觸到吸收達到平衡這一過程的平均傳質(zhì)系數(shù)。每個實驗條件下，對采集的多組圖片進行分析，并取平均值。

對于彈狀氣泡，氣泡長度LB大于通道寬度w，可將氣泡視為由頭部、尾部和主體3部分組成。實驗條件下，氣泡整體呈子彈狀，其頭部和尾部呈不對稱的橢球形。本文在處理氣泡形狀時，分別將氣泡頭部和尾部作為半球形。由于實際氣泡的頭部和尾部均呈橢球形，且頭部要略小于尾部，分別取5個氣泡按實際橢球形計算頭部和尾部的體積和表面積，氣泡體積和表面積的計算誤差均小于3.4%，因此可以將氣泡頭部和尾部視為兩個對稱的半球體進行簡化計算。氣泡主體與通道壁面接觸的部分為直線，而在通道角落處為圓弧，氣泡主體的截面如圖7所示[27-28]。氣泡主體部分截面面積約占通道截面面積的90%[29]。假設(shè)氣泡主體截面在通道角落處呈90°圓弧，圓弧半徑為r，則氣泡體積和表面積由式(1)～式(3)計算得到。

圖7 氣泡主體部分截面Fig. 7 Schematic diagram of cross section of main body

比表面積a由同一時刻傳質(zhì)段內(nèi)所有氣泡的表面積之和As與傳質(zhì)段通道體積VM之比計算得到

式中，ABi為微通道內(nèi)第i個氣泡的表面積；LM表示傳質(zhì)段的長度。

對于CO2在IL/無水乙醇混合溶液中的傳質(zhì)過程，傳質(zhì)阻力主要存在于液相側(cè)。根據(jù)質(zhì)量平衡方程，得到

式中，ce是CO2在IL/無水乙醇溶液中的平衡濃度；c表示CO2在液相中的濃度。因此

對式（6）進行積分，得到

式中，t為從氣液兩相開始接觸到兩相達到吸收平衡所用的時間，可根據(jù)高速攝像儀記錄的圖像得到；c0為氣液兩相開始接觸時溶液中CO2濃度，本文中c0=0；c1為傳質(zhì)過程結(jié)束時CO2在溶液中的濃度。在實驗溫度下，乙醇的飽和蒸氣壓為7.8 kPa[30]，離子液體則幾乎不揮發(fā)，蒸氣壓通常低于10-9kPa[31-32]，考慮實驗過程中氣泡在微通道內(nèi)的流動時間很短，僅為0.17～1.45 s，因此本文假定吸收過程中乙醇的揮發(fā)可以忽略不計，氣相為純CO2。因此，可根據(jù)氣泡體積變化得到CO2吸收量，進而計算得到出口濃度c1

式中，P0為微通道進口處的壓力；P1為傳質(zhì)過程結(jié)束時的壓力；V0為氣液間無傳質(zhì)時氣泡的初始體積，由氣相流量除以氣泡生成頻率計算得到；V1為傳質(zhì)過程結(jié)束時的氣泡體積；VS為傳質(zhì)過程結(jié)束時與氣泡相鄰的液彈的體積；LUC為流動單元的長度，如圖4所示。

CO2在IL/無水乙醇溶液中的平衡濃度ce可由亨利定律計算得到

式中，H為亨利常數(shù)。在CO2吸收過程中，通道內(nèi)壓力逐漸減小，因此式 (9) 中PCO2取平均壓力進行計算。

根據(jù)CO2分別在IL、無水乙醇兩種純?nèi)軇┲械暮嗬?shù)[33-34]，由Krichevsky[35]提出的公式，計算得到CO2在二元理想混合溶液中的亨利常數(shù)

式中，HIL、Hethanol分別表示CO2在IL和無水乙醇中的亨利常數(shù)；xIL表示混合溶液中IL的摩爾分數(shù)。

為了驗證式(10) 的準確性，采用反應(yīng)釜測定了實驗采用的最大離子液體濃度（wIL=25%）混合溶液在298.15 K和低壓下吸收CO2的亨利系數(shù)：① 將裝有混合溶液的密閉反應(yīng)釜抽真空，然后充入CO2氣體至初始壓力Pini=0.2 MPa，靜置8 h后系統(tǒng)壓力趨于恒定值Peq，因此認為吸收已達到平衡；② 利用反應(yīng)釜容積V和壓差計算得到CO2吸收量Δngas=(Pini-Peq)V/RT，溶液中CO2的濃度為xCO2=Δngas/(ngas+nliquid)，并根據(jù)H=Peq/xCO2（Peq為平衡壓力）求得亨利系數(shù)。在低壓條件下，亨利系數(shù)受壓力的影響可以忽略不計，僅為溫度的函數(shù)。在實驗溫度下，測定值與式(10) 計算得到的亨利系數(shù)的相對誤差為7.2%。由于離子液體濃度越低，混合溶液越接近于理想溶液，因此可通過Krichevsky提出的方法計算混合溶液的亨利系數(shù)。

根據(jù)誤差傳遞公式以及傳質(zhì)系數(shù)的計算公式，得到液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液測傳質(zhì)系數(shù)kL的誤差計算公式

實驗中采用的裝置主要有高速攝像機、壓力傳感器和微量注射泵。實驗過程中高速攝像機的拍攝頻率為1000幀/秒。在圖片處理過程中，傳質(zhì)過程所經(jīng)歷時間的誤差為0.74%。實驗中壓力傳感器給壓降測量帶來的誤差是0.8%。實驗所使用的微量注射泵的儀器誤差為1%。相關(guān)參數(shù)的測量誤差如表1所示。采用表1列出的各參數(shù)的實驗測量誤差，由式（11）、式（12）計算得到液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液測傳質(zhì)系數(shù)kL的誤差分別為7.34%、7.82%。

表1 相關(guān)參數(shù)的實驗誤差Table 1 Experimental errors in parameters

2.3 氣液兩相流量對傳質(zhì)系數(shù)的影響

在彈狀流條件下，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa隨氣液兩相流量比QG/QL的變化如圖8所示。由圖8可以看出，微通道內(nèi)液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)隨兩相氣液流量比的增大而增大，并逐漸趨于恒定，這與文獻中的結(jié)果一致[25-26,36-37]。固定液相流量不變，當氣液流量比較小時，兩相流量比的升高使得比表面積顯著增大，同時加速了氣泡與液彈的內(nèi)部循環(huán)，促進了液膜的更新，強化了微通道內(nèi)兩相間的傳質(zhì)，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa隨之增大。當氣液流量比增大到一定值時，微通道內(nèi)氣液兩相流型開始向彈狀-環(huán)狀流發(fā)展，兩相接觸面積趨于恒定，kLa值逐漸趨于常數(shù)。當保持氣液流量比不變，若液相流量增大時，氣相流量也將隨之增大，氣相對液相的擾動程度增加。同時，根據(jù)表面更新理論，液相流量的增加也使得表面更新速率加快，導(dǎo)致kLa增大。實驗中發(fā)現(xiàn)，當液相流量由40 ml·h-1增大到50 ml·h-1時，傳質(zhì)系數(shù)kLa僅有小幅度增大。此時，液相流量對kLa的影響已不顯著。

氣液兩相流量比對液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL的影響如圖9所示。隨著氣液兩相流量的升高，傳質(zhì)系數(shù)kL逐漸增大并趨于恒定。這與體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的變化趨勢一致。固定液相流量不變，隨著氣相流量的不斷增大，氣液兩相流型開始向彈狀-環(huán)狀流發(fā)展，傳質(zhì)系數(shù)kL隨之達到最大并趨于恒定。固定兩相流量比，當液相流量增大時，液膜表面更新速率加快。同時，氣相流量隨液相流量的增大而增大，使得微通道內(nèi)氣相對液相的擾動增強，促進了液彈內(nèi)部循環(huán)以及液膜的更新，使得傳質(zhì)效率得到強化。

圖8 氣液兩相流量比對kLa的影響Fig. 8 Influence of gas and liquid two phases flow rate ratio onkLa

2.4 混合溶液中IL濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響

圖10示出了在固定液速條件下，IL濃度對體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的影響。一方面，隨著IL濃度的增大，混合溶液對于CO2的吸收能力增強，傳質(zhì)通量增大，體積傳質(zhì)系數(shù)kLa隨之增大；另一方面，IL濃度的增大也使得氣泡長度迅速減小，比表面積隨之減小，同時氣泡運動速率降低，使得氣泡在通道內(nèi)的停留時間更長，體積傳質(zhì)系數(shù)有所下降[26]。這兩方面因素共同影響著kLa的變化趨勢。因此，不同IL濃度溶液吸收CO2過程的體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣液流量比的增大出現(xiàn)了交叉。交叉點之前的氣液流量比較低，生成氣泡的初始長度較小，使得比表面積的下降成為主導(dǎo)因素。此時，體積傳質(zhì)系數(shù)kLa隨著IL濃度的增大而降低。在交叉點之后，氣液流量比相對較大，流型開始向過渡流發(fā)展，比表面積趨于常數(shù)，IL濃度對比表面積的影響不再顯著，混合溶液對于CO2的吸收強化成為主導(dǎo)因素，此時，高濃度混合溶液吸收過程的體積傳質(zhì)系數(shù)kLa更高。值得注意的是，在實驗范圍內(nèi)的不同液速條件下，交叉點處對應(yīng)的氣液流量比約為QG/QL=8。如圖11所示，微通道內(nèi)IL/無水乙醇混合溶液吸收CO2過程的傳質(zhì)系數(shù)kL隨IL濃度的變化趨勢與kLa大體相同。在固定液速條件下，不同IL濃度吸收CO2過程的傳質(zhì)系數(shù)kL隨氣液流量比的變化也出現(xiàn)了交叉點。在交叉點之前，高濃度IL吸收過程的傳質(zhì)系數(shù)更低；在交叉點之后，高濃度IL吸收過程的傳質(zhì)系數(shù)更高。

圖9 氣液兩相流量比對kL的影響Fig. 9 Influence of gas and liquid two phases flow rate ratio onkL

本文中得到的體積傳質(zhì)系數(shù)kLa的范圍是0.81～32.18 s-1，而在微通道內(nèi)采用純乙醇作為溶劑的吸收過程中，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)的范圍是0.4～5 s-1[38]。這也說明了離子液體的加入對于吸收效果有顯著的提升。本文中得到的傳質(zhì)系數(shù)kL的范圍是(0.25×10-3～4.67×10-3) m·s-1，與Yue等[24]采用化學吸收法得到的kL具有相同的數(shù)量級。

2.5 體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測

目前，已有許多學者對微通道內(nèi)氣液兩相傳質(zhì)過程進行了研究，并基于實驗數(shù)據(jù)提出了多種傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測式。van Baten等[39]在Higbie滲透理論的基礎(chǔ)上，將氣泡分為主體部分、頭部和尾部，并認為微通道內(nèi)體積傳質(zhì)系數(shù)由這3部分組成。Vandu等[40]考察了微反應(yīng)器內(nèi)CO2-水物系的物理吸收過程，認為氣泡主體部分對傳質(zhì)起主要作用，并基于流動單元長度不變的假設(shè)，得到簡化后的傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測式。值得注意的是，本文實驗中氣泡長度隨著吸收過程的進行明顯減小，而液彈長度可認為保持不變，因此流動單元長度不變的假設(shè)在這里不能成立。

Yue等[24]根據(jù)能量耗散模型，對微通道內(nèi)物理吸收過程中液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa進行了預(yù)測，發(fā)現(xiàn)采用式(16)能夠得到更為準確的預(yù)測模型

為了提高傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測模型的普適性，Yue等[24]還將量綱1常數(shù)Sherwood數(shù)Sh、Schmidt數(shù)Sc、Reynolds數(shù)Re與傳質(zhì)系數(shù)進行關(guān)聯(lián)，得到了彈狀流條件下的關(guān)聯(lián)式

圖10 IL濃度對kLa的影響Fig. 10 Influence of IL concentration onkLa

圖11 IL濃度對kL的影響Fig. 11 Influence of IL concentration onkL

Li等[36]同樣采用量綱1關(guān)聯(lián)式預(yù)測MEA溶液吸收CO2過程的傳質(zhì)性能，基于實驗結(jié)果提出了液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)的量綱1關(guān)聯(lián)式

根據(jù)不同預(yù)測模型計算得到的體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測值與實驗值的對比如圖12所示。從圖中可以看出，預(yù)測值與實驗值偏差較大?？紤]到混合溶液中操作條件和IL濃度對液測體積傳質(zhì)系數(shù)的影響，本文利用IL摩爾比XIL、液相Reynolds數(shù)ReL、氣液兩相流量比QG/QL、液相毛細數(shù)CaL、液相Sherwood數(shù)ShL對液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa進行預(yù)測。根據(jù)kLa變化曲線中交叉點處對應(yīng)的特征氣液流量比QG/QL，采用Matlab對實驗數(shù)據(jù)進行分段擬合，得到如下關(guān)聯(lián)式。

圖12 液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測值與實驗值的比較Fig. 12 Comparison between predicted values and experimental data of volumetric mass transfer coefficient

式(19) 和式(20) 得到的體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測值與實驗值相比，平均偏差分別為14.91%、10.52%，預(yù)測效果良好。

3 結(jié) 論

采用可視化在線分析法對400 μm×400 μm正方形截面微通道內(nèi)IL/乙醇混合溶液吸收CO2的傳質(zhì)過程進行了研究。通過對高速攝像儀拍攝的圖像進行處理，得到了氣泡長度在流動過程中的變化規(guī)律。固定液相流量不變，隨著氣相流量的升高，初始氣泡長度增大，傳質(zhì)過程經(jīng)歷的時間變長。當氣液兩相流量固定不變時，初始氣泡長度隨著IL濃度的增大而減小。基于傳質(zhì)過程中氣泡的體積變化以及微通道進出口壓力，計算得到了傳質(zhì)段的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL，并考察了氣液兩相流量以及IL濃度對傳質(zhì)系數(shù)的影響。結(jié)果表明，對于相同的IL溶液和液相流量，液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)kLa和液側(cè)傳質(zhì)系數(shù)kL均隨氣液兩相流量比的增大而增大，并逐漸趨于恒定。當固定液相流量不變時，對于不同濃度的IL溶液，傳質(zhì)系數(shù)隨兩相流量比的變化曲線出現(xiàn)了交叉。在交叉點之前，比表面積的下降是主導(dǎo)因素，低濃度IL溶液吸收CO2過程的傳質(zhì)系數(shù)更高；在交叉點之后，IL溶液對于CO2的吸收強化成為主導(dǎo)因素，高濃度IL溶液吸收CO2過程的傳質(zhì)性能更好。根據(jù)實驗結(jié)果，考慮操作條件和IL濃度對傳質(zhì)的影響，提出了新的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測式，預(yù)測效果良好。

符 號 說 明

A——氣泡表面積，m2

As——氣液相界面積，m2

a——比表面積，m2·m-3

Ca——毛細數(shù)

c——濃度，mol·m-3

ce——CO2在液相中的平衡濃度，mol·m-3

DAB——擴散系數(shù)，m2·s-1

d——微通道深度，m

dh——微通道當量直徑，m

H——亨利系數(shù)，mol·m-3·Pa-1

L——長度，m

ka——體積傳質(zhì)系數(shù)，s-1

n——物質(zhì)的量，mol

Δngas——溶液吸收的CO2的物質(zhì)的量，mol

nliquid——溶液的物質(zhì)的量，mol

P——壓力，Pa

ΔP——微通道內(nèi)壓力降，Pa

Peq——反應(yīng)釜內(nèi)的平衡壓力，Pa

Pini——反應(yīng)釜內(nèi)的初始壓力，Pa

Q——流量，m3·s-1

r——氣泡主體截面的圓弧半徑，m

T——溫度，K

t——傳質(zhì)過程經(jīng)歷的時間，s

u——表觀流速，m·s-1

V——體積，m3

w——微通道寬度，m

wIL——混合溶液中離子液體的質(zhì)量分數(shù)，%

XIL——混合溶液中離子液體的摩爾比

x——微通道內(nèi)氣泡的坐標，m

xCO2——溶液中CO2的摩爾分數(shù)

μ——黏度，Pa·s-1

ρ——密度，kg·m-3

σ——表面張力，N·m-1

下角標

B——氣泡

C——微通道

exp——實驗值

F——氣泡頭部

G——氣相

L——液相

M——傳質(zhì)段

pre——預(yù)測值

R——氣泡尾部

S——液彈

UC——流動單元

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Mass transfer performance of CO2absorption into ionic liquid/ethanol mixture in microchannel

ZHANG Fanbin, ZHU Chunying, FU Taotao, JIANG Shan, DU Wei, ZHANG Qindan, MA Youguang
(State Key Laboratory of Chemical Engineering,Collaborative Innovation Center of Chemical Science and Engineering(Tianjin),School of Chemical Engineering and Technology,Tianjin University,Tianjin300072,China)

The mass transfer behavior of CO2absorption into ionic liquid/ethanol mixture in microchannel was investigated experimentally using a high speed camera. The influences of the ratio of gas to liquid phase flow rates, the concentration of ionic liquid on the liquid side volumetric mass transfer coefficient (kLa) and liquid side mass transfer coefficient (kL) for slug flow were studied. For a given concentration of ionic liquid, bothkLaandkLincrease gradually with increasing the ratio of gas to liquid phase flow rates and then level off. For different concentrations of ionic liquid at a given liquid phase flow rate, there is a transition point in the curve ofkLa(kL) as a function of the flow rate ratio of gas to liquid phase. Before this point,kLa(kL) decreases with increasing the concentration of ionic liquid, while reverse tendency is found after the point. A new dimensionless empirical correlation for predictingkLawas proposed, and the predicted values coincide well with the experimental data.

microchannel; ionic liquid; absorption; carbon dioxide; mass transfer

Prof. MA Youguang, ygma@tju.edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20161224

TQ 021.4

：A

：0438—1157（2017）02—0601—11

2016-09-02收到初稿，2016-11-11收到修改稿。

聯(lián)系人：馬友光。

：張璠玢（1992—），女，碩士研究生。

國家自然科學基金項目（21576186，21276175，91434204，21106093）。

Received date: 2016-09-02.

Foundation item: supported by the National Natural Science Foundation of China (21576186, 21276175, 91434204, 21106093).