清华大学丨骆广生、盛林、陈宇超、邓建：微反应器中气泡群流的流动理想性分析及其一般规律

研究背景

微化工技术可为化学品生产提供安全、高效的新途径，是国内外学术界和产业界的研究热点。特别地，气液微反应技术因其优异的传热传质性能、精确的反应时间控制，均一的反应条件以及过程本质安全化等特点，在化学反应、材料合成、气体吸收等众多领域得到了广泛关注。研究表明，由于表面(界面)张力在微尺度多相流动中起着重要作用，微尺度下气液两相流的流体动力学与传统厘米级通道中的流体动力学存在着显著差异。因此，常规气液反应器的设计准则在一定程度上已不再适用于气液微反应器的尺寸设计。为了有效地设计和制造出适合实际工业应用的气液微反应器，必须充分了解微反应器内微气泡群的流动特性，其主要包括气泡尺寸、气含率以及气液两相的流动理想性。过去二十年，微反应器内的气液流动特性研究大多都聚焦于气柱流流动模式，而对于工业上气液微反应器内最常见的气泡群流的流动理想性尚不明确。因此，开展微气泡群流的流动特性研究对工业大型微反应器的设计至关重要。

成果展示

本文报道了一个较大微通道反应器中微气泡群流的流动理想性分析及其一般规律。实验结果表明，随着微反应器内气含率的改变，微气泡群流的流动经历了两种不同的流动状态:气液拟平推流和液相/气液拟均相流的层流。微反应器内的真实气含率和气泡群平均运动速度相对于理想平推流条件下的偏差规律可划分为两个区域，且两个区域的过渡点均发生在气泡群运动速度和两相表观平均速度比值为1.25时。特别地，当流速比为1.25时，液相毛细管数（CaL）和气相操作压力（PG）存在着线性的数学关系，该关系式可作为气泡群流微反应器的一般设计准则。最后，提出了一种基于气液两相韦伯数比值和液相毛细管数的无量纲气泡群运动速度预测模型。该工作对大型气液微反应器的设计具有重要的指导意义。

图文导读

不同操作条件下的微气泡群流动状态图

微气泡群速度和反应器气含率的理想性分析

气泡群微反应器的拟平推流设计准则

作者及团队介绍

第一作者：盛林，博士研究生，研究方向为高粘气液体系的微尺度分散与流动规律及其传递特性与强化策略。

通讯作者：骆广生，清华大学化学工程系教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，教育部长江学者特聘教授，化学工程联合国家重点实验室主任，中国化工学会微化工技术专业委员会主任委员，入选英国皇家化学会会士、中国化工学会会士，长期从事微尺度流动化学、微化工技术、分离科学与技术、多相流动与传递、粉体材料制备等研究。致力于微化工理论体系构建和微化工技术从概念到工业应用的突破，在国际上率先实现微化工技术在万吨级湿法磷酸净化、酸团萃取、纳米碳酸钙制备、溴化丁基橡胶合成、橡胶促进剂合成等的产业化应用。在核心刊物上发表论文420余篇，获授权发明专利100余项，获国家技术发明二等奖和科技进步二等奖各1项、以及省部委科技奖励9项。

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