微反应研究：气 / 液微分散体系的传质性能依赖于？

微设备内能够较好地消除传质限制，使化学反应和分离过程得到强化，微尺度下气 / 液体系的传质性能对于气 / 液接触过程的微型化研究具有重要意义。目前的研究表明，气 / 液微分散体系的传质性能依赖于微分散流型、通道结构和操作条件等因素 ，相关研究集中在考察 T 形或 Y 形结构的微分散设备内，气柱流或气柱 -环形流的传质性能 [1,2]。

研究者Yue等[3] 在 Y 形通道内，分别通过二氧化碳的物理和化学吸收过程，考察了气柱流和环形流的液相总体积传质系数。结果表明， 在Kla 在 0.3 ～ 21s−1范围内，比常规气 / 液接触设备的传质系数至少大 1 ～ 2 个数量级。研究者 Su 等 [4] 在T 形通道内，考察了二氧化硫化学吸收过程的气相体积传质系数。同样通过氢氧化钠溶液快速吸收二氧化碳的过程，测定了微设备的传质比表面积，从而得到气相总传质系数。

图1不同分散方式的传质性能研究

结果显示，气相体积传质系数与总传质系数均随着两相流速的增大而升高，并且指出微设备内传质性能的提高主要归因于传质比表面积的大幅增加。研究者 Aoki 等 [5] 在 T 形通道内，由二氧化碳的化学吸收过程考察了气柱流的传质性能。

实验中设计了三种不同的气/液微分散方式，如图1 所示，分别为对撞流剪切、水平放置垂直流剪切与竖直放置垂直流剪切。结果表明，不同的微分散方式通过影响分散尺寸进而引起传质系数的变化，特别在低流速区域这一趋势较为明显。综合以上各影响因素，建立了无量纲特征数 Sh 与 Pe 之间的关联式。

研究者Roudet等[6]在直通道和弯曲通道内分别考察了氧气吸收过程中气柱流与气柱 - 环形流的传质系数，提出传质过程主要发生在轴向流体流动上，即气柱前后两端与液相之间的传质，认为径向方向气柱与薄液膜之间的传质可以忽略。结果显示，弯曲通道中液相体积传质系数稍大于直通道。

近年来，由分散相气体体积变化确定传质量的方法在测定气体溶解度参数以及化学反应速率常数等方面得到了快速的发展和应用 [7]。研究者 Abolhasani 等 [8] 在微通道内考察了碳酸二甲酯物理吸收二氧化碳的传质过程，如图 2所示。随着吸收过程的进行，气柱长度逐渐缩短，根据气柱的体积变化确定了二氧化碳的传质量，进而得到了吸收过程的体积传质系数以及二氧化碳溶解在物理溶剂中的亨利系数。结果表明，体积传质系数Kla在4～30s−1范围，由于消除了传质限制，二氧化碳能够很快达到溶解平衡，溶解度的测定时间只需 5min，测得的亨利系数与文献值相比误差在 2% ～ 5%。

图2碳酸二甲酯物理吸收二氧化碳的传质过程

研究者 Li 等 [9] 同样在微通道内，考察了甲基二乙醇胺（MDEA）吸收二氧化碳过程中的化学反应速率常数，如图 3所示。在实验中，依据气柱体积随时间的变化确定了二氧化碳的化学吸收量，也即二氧化碳与二级胺的化学反应量，从而建立了反应量与反应时间的关系，测定了化学反应速率常数。这一方法主要依赖于微设备能够消除化学反应过程中的传质限制，以及易于形成稳定、单分散、具有规则相界面的气柱流型等有利特点，同样具有快速、简便、可靠的优势。

图3　甲基二乙醇胺（MDEA）吸收二氧化碳过程 [27]

Tan等[9,10] 鉴于微通道内压降较小，根据气柱体积在通道不同位置的变化确定了传质量，从而得到气柱在通道内运动阶段的液相总传质系数，如图 4-12 所示。结果显示直通道的总传质系数 Kl 在（1 ～ 3）×10−4 m/s 范围，弯曲通道 Kl 在（2 ～ 7）×10−4 m/s 范围，表明弯曲结构在一定程度上强化了传质过程，且弯曲通道的曲率半径越小，这一强化作用越明显。同时传质系数随着连续相流速的增大而升高，与气相流速以及气相中二氧化碳的体积分数关系不大。同理对氢氧化钠吸收二氧化碳的传质过程，在不同夹角的 T 形通道内气柱流形成阶段的传质性能不同 [11]。

在 0.2 ～ 0.4s 的气柱生成时间内，生成阶段的传质量占总传质过程的 30% ～ 40%，表明微通道内分散形成阶段的传质量不可忽略 [12]。气柱生成阶段传质系数 Kl 在（1.4 ～ 5.5）×10−4 m/s 范围，两相流速的增大促进了表面更新从而引起传质系数的增大。

图4 不同微通道内传质系数测量

参考文献

[1] Kashid M N, Renken A, Kiwi-Minsker L. Gas-liquid and liquid-liquid mass transfer in microstructured reactors[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(17): 3876-3897.

[2] Yue J, Luo L G, Gonthier Y, et al. An experimental study of air-water taylor flow and mass transfer inside square microchannels[J]. Chemical Engineering Science, 2009, 64(16): 3697-3708.

[3] Yue J, Chen G W, Yuan Q, et al. Hydrodynamics and mass transfer characteristics in gas-liquid flfl ow through a rectangular microchannel[J]. Chemical Engineering Science, 2007, 62(7): 2096-2108.

[4] Su H J, Wang S D, Niu H N, et al. Mass transfer characteristics of H2S absorption from gaseous mixture into methyldiethanolamine solution in a T-junction microchannel[J]. Separation and Purififi cation Technology, 2010, 72(3): 326-334.

[5] Aoki N, Tanigawa S, Mae K. Design and operation of gas-liquid slug flow inminiaturized channels for rapid mass transfer[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(24): 6536-6543.

[6] Roudet M, Loubiere K, Gourdon C, et al. Hydrodynamic and mass transfer in inertial gas liquid flfl ow regimes through straight and meandering millimetric square channels[J]. Chemical Engineering Science, 2011, 66(13): 2974-2990.

[7] Lefortier S, Hamersma P J, Bardow A, et al. Rapid microflfl uidic screening of CO2 solubility and diffusion in pure and mixed solvents[J]. Lab On a Chip, 2012, 12(18): 3387-3391.

[8] Abolhasani M, Singh M, Kumacheva E, et al. Automated microflfl uidic platform for studies of carbon dioxide dissolution and solubility in physical solvents[J]. Lab On a Chip, 2012, 12(9):1611-1618.

[9] Li W, Liu K, Simms R, et al. Microflfl uidic study of fast gas-liquid reactions[J]. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(6): 3127-3132.

[10] Tan J, Lu Y C, Xu J H, et al. Mass transfer performance of gas-liquid segmented flow in microchannels[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 181: 229-235.

[11] Tan J, Lu Y C, Xu J H, et al. Mass transfer characteristic in the formation stage of gas-liquid segmented flfl ow in microchannel[J]. Chemical Engineering Journal, 2012, 185: 314-320.

[12] Xu J H, Tan J, Li S W, et al. Enhancement of mass transfer performance of liquid-liquid system by droplet flfl ow in microchannels[J]. Chemical Engineering Journal, 2008, 141(1-3): 242-249.

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