化工进展 ›› 2019, Vol. 38 ›› Issue (04): 1624-1633.DOI: 10.16085/j.issn.1000-6613.2018-0826
钱锦远1,2(),李晓娟1,吴赞2,陈珉芮1,金志江1(),蒙特桑顿2
收稿日期:
2018-04-20
修回日期:
2018-06-08
出版日期:
2019-04-05
发布日期:
2019-04-05
通讯作者:
金志江
作者简介:
钱锦远(1988—),男,讲师,博士,主要从事复杂流动控制和强化传热技术研究。E-mail:<email>qianjy@zju.edu.cn</email>。|金志江,教授,博士生导师,主要从事高效节能技术与装备研究。E-mail: <email>jzj@zju.edu.cn</email>。
基金资助:
Jinyuan QIAN1,2(),Xiaojuan LI1,Zan WU2,Minrui CHEN1,Zhijiang JIN1(),Bengt SUNDÉN2
Received:
2018-04-20
Revised:
2018-06-08
Online:
2019-04-05
Published:
2019-04-05
Contact:
Zhijiang JIN
摘要:
微通道内液-液两相流流动在微化工系统中占有重要的地位,了解微通道内液-液两相流体流动和传质规律对推动其工业化应用有重要作用。本文以微通道内液-液两相流系统为研究对象,简述了不同工况下微通道内液-液两相流流型和混合传质效率,分析了微通道特征、流体性质和流体流动速度等对流型形成和传质效率的影响。指出目前对于微通道内液-液两相流的研究多处于定性研究,定量研究仅针对某一体系展开,所得结果具有一定的局限性。关于微通道内液-液两相流传质研究实验较多而数值模拟方法相对较少,接下来的研究工作中应该考虑建立微通道内液-液两相流基础研究的数据库,通过分析大量的数据获得有效的流型划分准则和相关经验式以此推动微通道内液-液两相流的工业化应用。同时在传质研究过程中应研究开发相应的数值模拟模型,保证实验和数值模拟相结合,提出有效的传质效率评价机制。
中图分类号:
钱锦远, 李晓娟, 吴赞, 陈珉芮, 金志江, 蒙特桑顿. 微通道内液-液两相流流型及传质的研究进展[J]. 化工进展, 2019, 38(04): 1624-1633.
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参考文献 | 微通道材料、入口结构、尺寸/μm | 两相体系、流动工况 | 变量 | 流型 |
---|---|---|---|---|
[ | 石英、玻璃,双T型,d h=793、667 | 水-矿物油 u c=0~40cm·s?1,u d=0~20cm·s?1 | 两相流速 | 弹状流、滴状流、分层流、半分层流 |
[ | 十字交叉型 | 硅油-不同浓度乙醇溶液 u c=0.001~1.0m·s?1, u d=0.001~1.0m·s?1 | 两相流速、表面张力、连续相黏度、壁面接触角 | 弹状流、滴状流、喷射流、节状形变流、管状流、滑移流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型共流,h×w=600×300 | 水-煤油 u c=9.26×10-4~1.85m·s?1, u d=9.26×10-4~2.78m·s?1 | 韦伯数 | 弹状流、滴状流、液滴群流、波平行流、平行流、混乱的细条纹流 |
[ | 聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯(Tefzel)、玻璃,T型-圆截面,d h=200、270 | 离子液体-水 Q total=0.065~214.9cm3·h?1, Q IL/(Q IL+Q w)=0.05~0.8 | 壁面润湿性、总流速、流量比 | 弹状流、滴状流、节状形变流、弹状-滴状流、雾状流、不规则流 |
[ | 玻璃,Y型,d h=260、760 | 正丁醇-水、乙酸正丁酯-水、甲苯-水 | 两相流速、通道尺寸、表面张力、壁面润湿性 | 弹状流、液滴流、弹状-液滴流、平行流 |
[ | 聚四氟乙烯(PTFE),Y型,d h=250~1000 | 环己烷-水 Q c=5~200mL·h?1,Q d=5~200mL·h?1 | 微通道尺寸、两相流量 | 弹状流、滴状流、变形界面流 |
[ | 玻璃,十字交叉型,T型共流,h×w=200×200、400×400、600×600、300×600 | 水-丁醇、水-乙烷、水-甲苯、水-油 | 通道尺寸、两相黏度、表面 张力 | 弹状流、滴状流、环状流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型错流,h×w=150×200 | u c=0.001~0.1m·s?1, u d=0.001~0.1m·s?1,Ca c=10-4~0.3 | 毛细数 | 弹状流、过渡流、滴状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),T型错流,h×w=80×100 | 硅油-甘油溶液 Q c=2.4~100mL·h?1, Q d=2mL·h?1、8mL·h?1 | 连续相流量 | 弹状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),Y型, w c×w d×h×α=100×200×100×80°、100×200×50×80°、170×170×80×60° | Q c=2~120μL·min?1, Q d=2~120μL·min?1 | 微通道几何尺寸 | 弹状流、滴状流、分层流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),T型错流,d h=400、600 | 水-植物油 Q c=0.1~6mL·h?1,Q d=0.1~6mL·h?1 | 两相流量、通道直径 | 弹状流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型错流,h×w=400×400、400×600、400×800 | 水与甘油的混合液-环己烷 Q c=0~200mL·h?1,Q d=10~25mL·h?1 | 两相流率、连续相黏度、毛细数、微通道尺寸 | 弹状流、过渡流、滴状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),Y型, α= 45°、90°、135°、180°,h×w=500×500 | 无水乙醇-液体石蜡 Ca c=0.016、0.213、0.267, Ca d=0.004、0.0027 | Y型角度、毛细数 | 弹状流、液滴流、喷射流、平行流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),双T型, d h=176,h/w=2.4 | 硅油-水 | 两相流量 | 滴状流、弹状流、波平行流、平行流 |
[ | 玻璃,十字交叉型,h×w=200×200、400×400、600×600 | 水-丁醇、水-乙烷、水-甲苯、水-油、水/甘油(质量比60∶40)-油 | 通道尺寸、两相流速、两相黏度、表面张力 | 管状流、滴状流、喷射流 |
表1 不同微通道结构及操作工况下微通道内液-液两相流流型
参考文献 | 微通道材料、入口结构、尺寸/μm | 两相体系、流动工况 | 变量 | 流型 |
---|---|---|---|---|
[ | 石英、玻璃,双T型,d h=793、667 | 水-矿物油 u c=0~40cm·s?1,u d=0~20cm·s?1 | 两相流速 | 弹状流、滴状流、分层流、半分层流 |
[ | 十字交叉型 | 硅油-不同浓度乙醇溶液 u c=0.001~1.0m·s?1, u d=0.001~1.0m·s?1 | 两相流速、表面张力、连续相黏度、壁面接触角 | 弹状流、滴状流、喷射流、节状形变流、管状流、滑移流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型共流,h×w=600×300 | 水-煤油 u c=9.26×10-4~1.85m·s?1, u d=9.26×10-4~2.78m·s?1 | 韦伯数 | 弹状流、滴状流、液滴群流、波平行流、平行流、混乱的细条纹流 |
[ | 聚全氟乙丙烯(FEP)、四氟乙烯(Tefzel)、玻璃,T型-圆截面,d h=200、270 | 离子液体-水 Q total=0.065~214.9cm3·h?1, Q IL/(Q IL+Q w)=0.05~0.8 | 壁面润湿性、总流速、流量比 | 弹状流、滴状流、节状形变流、弹状-滴状流、雾状流、不规则流 |
[ | 玻璃,Y型,d h=260、760 | 正丁醇-水、乙酸正丁酯-水、甲苯-水 | 两相流速、通道尺寸、表面张力、壁面润湿性 | 弹状流、液滴流、弹状-液滴流、平行流 |
[ | 聚四氟乙烯(PTFE),Y型,d h=250~1000 | 环己烷-水 Q c=5~200mL·h?1,Q d=5~200mL·h?1 | 微通道尺寸、两相流量 | 弹状流、滴状流、变形界面流 |
[ | 玻璃,十字交叉型,T型共流,h×w=200×200、400×400、600×600、300×600 | 水-丁醇、水-乙烷、水-甲苯、水-油 | 通道尺寸、两相黏度、表面 张力 | 弹状流、滴状流、环状流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型错流,h×w=150×200 | u c=0.001~0.1m·s?1, u d=0.001~0.1m·s?1,Ca c=10-4~0.3 | 毛细数 | 弹状流、过渡流、滴状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),T型错流,h×w=80×100 | 硅油-甘油溶液 Q c=2.4~100mL·h?1, Q d=2mL·h?1、8mL·h?1 | 连续相流量 | 弹状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),Y型, w c×w d×h×α=100×200×100×80°、100×200×50×80°、170×170×80×60° | Q c=2~120μL·min?1, Q d=2~120μL·min?1 | 微通道几何尺寸 | 弹状流、滴状流、分层流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),T型错流,d h=400、600 | 水-植物油 Q c=0.1~6mL·h?1,Q d=0.1~6mL·h?1 | 两相流量、通道直径 | 弹状流 |
[ | 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),T型错流,h×w=400×400、400×600、400×800 | 水与甘油的混合液-环己烷 Q c=0~200mL·h?1,Q d=10~25mL·h?1 | 两相流率、连续相黏度、毛细数、微通道尺寸 | 弹状流、过渡流、滴状流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),Y型, α= 45°、90°、135°、180°,h×w=500×500 | 无水乙醇-液体石蜡 Ca c=0.016、0.213、0.267, Ca d=0.004、0.0027 | Y型角度、毛细数 | 弹状流、液滴流、喷射流、平行流 |
[ | 聚二甲基硅氧烷(PDMS),双T型, d h=176,h/w=2.4 | 硅油-水 | 两相流量 | 滴状流、弹状流、波平行流、平行流 |
[ | 玻璃,十字交叉型,h×w=200×200、400×400、600×600 | 水-丁醇、水-乙烷、水-甲苯、水-油、水/甘油(质量比60∶40)-油 | 通道尺寸、两相流速、两相黏度、表面张力 | 管状流、滴状流、喷射流 |
参考文献 | 微通道材料、入口结构、 尺寸/μm | 两相体系、流动工况 | 传质系数/s-1 |
---|---|---|---|
[ | T型共流、T型错流, w×h=600×300、600×600 | 水-正丁醇+丁二酸 w×h=600×300:u total =0.01~2.5m·s?1 w×h=600×600:u total=0.005~2m·s?1 | 0.067~17.35 |
[ | 玻璃, 十字交叉型-正方形截面, w=380 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1~0.4mol·L?1]- 煤油+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.65mol·L?1] u?40mm·s?1,Φ=1.0 | 0.5 |
[ | 316不锈钢, 蛇形弯管, d h=700 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.5mol·L?1]- 丁醇/己醇/甲基叔丁基醚/甲苯+4-硝基苯酚乙酸酯[c(4-硝基苯酚乙酸酯, org)=0.05mol·L?1] Q org=0.4~16mL·min?1,Q aqu=0.4~16mL·min?1 | 水-丁醇:0.417~5.444 水-己醇:0.124~1.614 水-甲基叔丁基醚:0.084~1.937 水-甲苯:0.125~1.171 |
[ | T-正方形截面d h=400、 T-梯形截面d h=400、 Y-矩形截面d h=269、 同心圆型、内表面结构化 | 水-甲苯+丙酮[c(CH3COCH3, org)=0.3mol·L?1] Q org=1~18mL·min?1,Q aqu=1~18mL·min?1 | T型-正方形截面:0.13~1.26,T型-梯形截面:0.16~1.03 Y型-矩形截面:0.069~0.75,同心圆:0.012~0.19 内表面结构化:0.13~2.27 |
[ | 玻璃,十字交叉型-正方形截面,w=200,400,600 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1mol·L?1]- 正己烷+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.5mol·L?1] u total=10~45mm·s?1,Φ=0.5,1,2 | Φ=1 W=200:0.11~0.24,W=400:0.064~0.099, W=600:0.032~0.045 |
[ | 玻璃,十字交叉型、T型错流、T型共流, 正方形截面:w=400 矩形截面:w×h=600×300 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1mol·L?1]- 正己烷+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.5mol·L?1] Q total=5~35mL·h?1,Φ=0.5、1、2 | 正方形截面 Φ=0.5:0.070~0.111,Φ=1:0.059~0.084, Φ=2:0.034~0.061 矩形截面 Φ=0.5:0.063~0.089,Φ=1:0.043~0.070, Φ=2:0.028~0.051 正方形截面Φ=1 十字交叉型:0.058~0.084,T型错流:0.049~0.078 T型共流:0.044~0.074 |
[ | 玻璃, Y型:d h=269 T型:d h=400 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.15-0.3mol·L?1]-甲苯/己烷+CCl3COOH[c(CCl3COOH, org)=0.6mol·L?1] Q total=2~12mL·h?1,Φ=1 | Y型:0.2~0.5 T型:0.2~0.5 |
[ | 硅和玻璃,T型错流, 正方形截面w=210,300 | 水-甲苯+丙酮 Q total=5~50mL·h?1 | W=210:1.61~8.44 W=300:0.72~2.65 |
[ | Y型,d h=250、α=110° | 水-甲苯+丁醇 Q total=0.05~8.0mL·min?1,Φ=1.0~9.0 | 萃取效率 弹状流、滴状流:99%,平行流:18%~58%,环状流:35%~90% |
[ | 聚四氟乙烯,T型-圆形截面, d h=600、800、1000 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.2~0.4mol·L?1]- 煤油+乙酸正丁酯 Q=5~100mL·h?1 | c(NaOH, aqu)=0.2 mol·L?1 d h=600:0.035~0.215,d h=800:0.006~0.07 c(NaOH, aqu)=0.4 mol·L?1 d h=600:0.098~0.324,d h=800:0.07~0.218 |
[ | 氮化硅:d h=427, 聚四氟乙烯:d h=500 | 水-正丁醇+丁二酸 Q org=Q aqu=0.16~6.5mL·min?1 | d h=427:0.28~8.83 d h=500:0.15~3.33 |
表2 不同两相体系和操作工况下微通道内液-液两相传质效率
参考文献 | 微通道材料、入口结构、 尺寸/μm | 两相体系、流动工况 | 传质系数/s-1 |
---|---|---|---|
[ | T型共流、T型错流, w×h=600×300、600×600 | 水-正丁醇+丁二酸 w×h=600×300:u total =0.01~2.5m·s?1 w×h=600×600:u total=0.005~2m·s?1 | 0.067~17.35 |
[ | 玻璃, 十字交叉型-正方形截面, w=380 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1~0.4mol·L?1]- 煤油+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.65mol·L?1] u?40mm·s?1,Φ=1.0 | 0.5 |
[ | 316不锈钢, 蛇形弯管, d h=700 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.5mol·L?1]- 丁醇/己醇/甲基叔丁基醚/甲苯+4-硝基苯酚乙酸酯[c(4-硝基苯酚乙酸酯, org)=0.05mol·L?1] Q org=0.4~16mL·min?1,Q aqu=0.4~16mL·min?1 | 水-丁醇:0.417~5.444 水-己醇:0.124~1.614 水-甲基叔丁基醚:0.084~1.937 水-甲苯:0.125~1.171 |
[ | T-正方形截面d h=400、 T-梯形截面d h=400、 Y-矩形截面d h=269、 同心圆型、内表面结构化 | 水-甲苯+丙酮[c(CH3COCH3, org)=0.3mol·L?1] Q org=1~18mL·min?1,Q aqu=1~18mL·min?1 | T型-正方形截面:0.13~1.26,T型-梯形截面:0.16~1.03 Y型-矩形截面:0.069~0.75,同心圆:0.012~0.19 内表面结构化:0.13~2.27 |
[ | 玻璃,十字交叉型-正方形截面,w=200,400,600 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1mol·L?1]- 正己烷+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.5mol·L?1] u total=10~45mm·s?1,Φ=0.5,1,2 | Φ=1 W=200:0.11~0.24,W=400:0.064~0.099, W=600:0.032~0.045 |
[ | 玻璃,十字交叉型、T型错流、T型共流, 正方形截面:w=400 矩形截面:w×h=600×300 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.1mol·L?1]- 正己烷+CH3COOH[c(CH3COOH, org)=0.5mol·L?1] Q total=5~35mL·h?1,Φ=0.5、1、2 | 正方形截面 Φ=0.5:0.070~0.111,Φ=1:0.059~0.084, Φ=2:0.034~0.061 矩形截面 Φ=0.5:0.063~0.089,Φ=1:0.043~0.070, Φ=2:0.028~0.051 正方形截面Φ=1 十字交叉型:0.058~0.084,T型错流:0.049~0.078 T型共流:0.044~0.074 |
[ | 玻璃, Y型:d h=269 T型:d h=400 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.15-0.3mol·L?1]-甲苯/己烷+CCl3COOH[c(CCl3COOH, org)=0.6mol·L?1] Q total=2~12mL·h?1,Φ=1 | Y型:0.2~0.5 T型:0.2~0.5 |
[ | 硅和玻璃,T型错流, 正方形截面w=210,300 | 水-甲苯+丙酮 Q total=5~50mL·h?1 | W=210:1.61~8.44 W=300:0.72~2.65 |
[ | Y型,d h=250、α=110° | 水-甲苯+丁醇 Q total=0.05~8.0mL·min?1,Φ=1.0~9.0 | 萃取效率 弹状流、滴状流:99%,平行流:18%~58%,环状流:35%~90% |
[ | 聚四氟乙烯,T型-圆形截面, d h=600、800、1000 | 水+NaOH[c(NaOH, aqu)=0.2~0.4mol·L?1]- 煤油+乙酸正丁酯 Q=5~100mL·h?1 | c(NaOH, aqu)=0.2 mol·L?1 d h=600:0.035~0.215,d h=800:0.006~0.07 c(NaOH, aqu)=0.4 mol·L?1 d h=600:0.098~0.324,d h=800:0.07~0.218 |
[ | 氮化硅:d h=427, 聚四氟乙烯:d h=500 | 水-正丁醇+丁二酸 Q org=Q aqu=0.16~6.5mL·min?1 | d h=427:0.28~8.83 d h=500:0.15~3.33 |
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