壁面润湿性对微通道内二氧化碳-水两相流流动及传质性能的影响

孙俊杰，郝婷婷，马学虎，兰忠

(辽宁省化工资源清洁利用重点实验室，大连理工大学化学工程研究所，辽宁 大连 116024)

引 言

20 世纪90年代以来，随着微全分析系统（μ-TAS）和微机电系统（MEMS）概念的提出和发展，微化工在自然科学和化工工程技术领域中愈发受到人们关注，保持着高速的发展，微化工技术也成为化学工程学科发展的新的重要方向之一[1-2]。德国、美国、日本、法国、荷兰、英国和中国等国家的相关研究单位对微化工技术投入大量研究并取得了一定成绩。中国科学院大连化学物理研究所自20 世纪90年代以来，开展了微反应器的制备、微混合技术、微反应等微化工技术方面的研究[3-5]。国内开展与“微化工技术”相关研究的单位还有清华大学[6-7]、华东理工大学[8-9]等高校。微化工技术作为化工过程强化的一种新技术，将在化学、化工、能源、环境等领域得到广泛应用，并对化学化工领域产生相当的影响[10-14]。

气液两相流在化学、化工、能源等方面应用很广，气-液微接触系统作为微化工技术的重要组成部分，也越来越为人们所关注[15]。Triplett 等[16]在亲水性玻璃微通道内观测到的气液两相流流型为泡状流、翻腾流、弹状流、弹状-环状流和环状流，研究表明现有关联式不适用于微通道内气液两相流，微通道内气液两相流流型的转变关系以及流型图还需在一定的理论基础和大量的实验基础上得以确定和发展。Lee 等[17]在疏水性聚四氟乙烯管内观察到气液两相流流型为弹状流、溪状流和环状流。目前关于疏水表面微通道内气液两相流动规律的研究较少。Zhao 等[18]研究指出作为微通道中气液两相流中最重要的流型之一，弹状流因其气泡和液弹交替出现，气泡和微通道壁面之间存在薄液膜的特点被认为是最适合于进行气液相反应的两相流型，在多种微应器中有广泛应用。Aoki 等[19]通过实验研究了微通道内CO2-0.1 mol·L-1NaOH 溶液气液两相弹状流传质，并指出液侧体积传质系数kLa 中的kL主要与液弹内循环区域液体流动速度和液弹内循环区域路径长度有关，a 主要与气液两相的接触面积有关。

本文重点研究了矩形微通道内壁面润湿性对二氧化碳-水气液两相流型以及传质效果的影响；还研究了亲水微通道内气、液相表观流速对弹状流流体力学性质的影响，探索微通道内气-液两相流动及传质规律，为后期微通道内过程强化提供理论指导。

1 实验方法

1.1 微通道结构

微通道主要结构为在紫铜板上经微机械加工而成的T 型微通道，如图1 所示，当量直径为1 mm（矩形截面，深1 mm、宽1 mm）。气、液两相进口段长为15 mm，两者间夹角为90°，气液混合段长度为40 mm。上盖以一有机玻璃板拧紧密封，紫铜板和有机玻璃板之间放一层透明硅胶片增强密封性。

图1 微通道结构图Fig.1 Structure of microchannel

1.2 实验系统

实验研究CO2-H2O 体系下的两相流流动性质。实验原理如图2 所示。CO2由钢瓶提供，通过气体质量流量计（0-50SCCM，S49-32B/MT，北京汇博隆仪器）调节气体流量，流入图1 中气相进口，用压力传感器测量通道入口处气体压力。液相是去离子水，用高压恒流泵（0～40 ml·min-1，P230PⅡ，依利特）注入图1 中液相进口。气液两相在气液混合段混合，由高速摄像仪系统（Ultima APX-RS Photron 美国）实时观测并拍摄主通道内气液两相流动性质。然后通过图1 中出口排出，流入到锥形瓶中。

采用酸碱滴定法测定蒸馏水对CO2的吸收量。具体方法入如下：气液两相在微通道混合吸收后流入锥形瓶中，从锥形瓶中取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 滴酚酞作指示剂。将该混合溶液摇匀后，用0.1 ml·L-1的HCl 溶液滴定。滴定到达终点时，混合溶液由红色变为白色。每次滴定做3 组平行实验，取平均值，3 次平行试验的相对误差小于10%。

配置2.5 mmol·L-1十八烷基硫醇乙醇溶液，使用其对铜基微通道进行表面疏水化处理，用表面接触角仪测定疏水化处理前后铜表面的接触角分别为θ=43.7°和θ=114.6°。分别在亲、疏水表面下做CO2-H2O 两相流和传质实验。实验在常温常压下进行（0.1 MPa，24～26℃）。

图2 微通道内CO2-H2O 两相流及吸收实验装置图Fig.2 Schematic diagram of experimental apparatus for CO2-H2O two-phase flow and absorption in microchannel

1.3 数据处理

通过高速摄像仪拍到的图片可以直观看出两相流流型。弹状流中气泡LB、液弹的长度LS从拍摄的图片中利用软件（Image-Pro Plus）测量得到。

去离子水吸收二氧化碳，由于CO2在水中的溶解度较小，传质总阻力近似等于液相传质阻力，传质速率由液膜控制，则微通道液侧体积传质系数的计算公式为

对弹状流区域内气泡和液弹的形状进行适当简化以计算气液两相传质比表面积。假设：（1）每个流速下，气泡和液弹的长度均一；（2）气泡的前后两端为半球形，中间为圆柱体；（3）气泡和液弹的运动速度一致，无相对运动。

图3 弹状流示意图Fig.3 Profile of slug flow

选取一个泰勒单元即一个气泡和液弹做计算

其中液膜厚度δf由van Baten 等[20]指出：

根据式（1）和式（4），可求得液膜传质系数

为了综合考虑流型以及流速对传质效果的影响，设计变量——比表面积传递通量Na，其物理意义为单位时间单位通道横截面积通过的气液两相传质面积的大小

2 实验结果与讨论

2.1 流型

图4 为实验观察到的T 型1 mm×1 mm 水平矩形亲水微通道内CO2-H2O 两相流在不同流速下的流型。（a）泡状流：气相以小气泡的形式分散在液相中间，气泡直径小于或等于通道直径。（b）泡状-弹状流：介于泡状流和弹状流之间的过渡流型。同弹状流相似，气泡被液弹分开，但在液弹中也会分散一些小气泡。（c）弹状流：气相以椭球状的形式分散在液相中，气泡的直径接近通道直径，气泡长度通常是管径的2～10 倍左右，气泡和管壁被一层很薄的液膜分开。

图5 为实验察到的T 型1 mm×1 mm 水平矩形疏水微通道内CO2-H2O 两相流在不同流速下的流型。（a）非对称弹状流：气相以非对称的小气弹形式分散在液相中间，相邻两个气弹之间的液弹的长度很长。（b）拉长的非对称弹状流：与非对称弹状流相比，气弹长度大幅度增大，但形状仍然不对称，液弹长度缩短。（c）分层流：气液两相分层流动，清晰的气液相界面将两相隔开。

图4 亲水微通道内CO2-H2O 气液两相流主要流型Fig.4 Representative photographs of CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns in hydrophilic microchannel

图5 疏水微通道内CO2-H2O 气液两相流主要流型Fig.5 Representative photographs of CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns in hydrophobic microchannel

图6 为T 型1 mm×1 mm 水平矩形微通道内不同壁面润湿性下CO2-H2O 两相流型图。图6(a)为亲水壁面条件下本实验流型图与Triplett 等[16]实验结果对比图。Triplett 等实验中，微通道为内径1.097 mm 的玻璃管，气液两相流体分别为空气和水。从图中可以看出两者比较相符，左上方都出现了泡状流，弹状流占大部分区域。不同点是本文中泡状-弹状流转换线出现更早，这是因为二者通道横截面形状明显不同，矩形通道边角效应导致。图6(b)为疏水壁面条件下本实验流型图与Choi 等[21]实验结果对比图。Choi 等实验中，微通道尺寸为608 μm×410 μm，壁面接触角为105°，气液两相流体分别为二氧化碳和水。从图6 中可以看出两者都出现了分层流。不同点是本实验中出现了Choi 等文献中没有出现的非对称弹状流和拉长的非对称弹状流，这可能是因为随着通道当量直径的增大，气相和液相的惯性力更加明显，更容易将气相和液相剪断形成气弹和液弹，进而取代分层流形成非对称弹状流。Wielhorski 等[22]研究也发现，疏水微通道与亲水微通道相比，液相对气相的挤压力较小，不容易将气相剪断，形成长气弹。另外Triplett 等[16]实验中的弹状-环状流、环状流、翻腾流和Choi 等[21]实验中的夹带式分层流在本文实验中没有观测到，这是由 于气液相流速较小。

图6 矩形微通道内CO2-H2O 气液两相流型转换图Fig.6 CO2-H2O gas-liquid two-phase flow patterns map in rectangular microchannel

2.2 弹状流流体力学性质

图7 为气泡长度与气相、液相表观流速关系图。从图7(a)中可以看出，液相表观流速一定的条件下，气泡长度随气相表观流速的增大而增大，且气相表观流速较小时增幅不大，气相表观流速较大时增幅较大。这是因为随着气相表观流速增大，通道截面含气率上升，气泡长度增大，并且气相表观流速越大这种影响越明显。从图7(b)中可以看出气相表观流速一定的条件下，气泡长度随液相表观流速的增大而减小，且液相表观流速较小时气泡长度的减小幅度较大，液相表观流速较大时气泡长度减小幅度较小。这是因为气相表观流速一定时，随着液相表观流速增大，通道截面含气率相对减小，导致气泡长度减小，然而随着液相表观流速的继续增大，气泡长度逐渐趋于稳定，液相表观流速进一步增大时，将形成泡状流，弹状气泡的长度不能更小。图8 为气液表观流速之比和气泡长度关系的拟合曲线图，从图中可以发现拟合曲线与实验数据吻合较好。随着气液速度比值的增加，气弹的长度呈线性增加。

图7 亲水微通道内气泡长度与气、液表观流速关系图Fig.7 Bubble length versus superficial gas velocity and liquid velocity in hydrophilic microchannel

图8 气泡长度与气、液表观流速之比的关系Fig.8 Bubble length versus ratio of gas superficial velocity and liquid superficial velocity

图9 亲水微通道内液弹长度与气、液表观 流速关系图Fig.9 Liquid slug length versus superficial gas velocity and liquid velocity in the hydrophilic microchannel

图9 为液弹长度与气相、液相表观流速关系图。从图9(a)中可以看出，液相表观流速一定的条件下，液弹长度随气相表观流速的增大而减小，并且当气 相表观流速较小时，液弹长度的减幅较大，而当气相表观流速增大到一定范围时，液弹长度基本不变。这是因为随着气相表观流速增大，通道截面含气率增大，则液弹长度减小，随着气相表观流速的继续增大，液弹长度减到不足1.5 mm，难以继续减小，趋于稳定。从图9(b)中可以看出当气相表观流速很小（UG=0.083 m·s-1）时，液弹长度随液相表观流速的增大而增大，当气相表观流速较大（UG＞0.083 m·s-1）时，液弹长度随液相表观流速的增大先增大后减小，但增大和减小的幅度都不大。这是因为气速较小时，气相对液相的剪切力较弱，而随着液相表观流速的增大，同一时间内进入微通道内液相的量增大，在T 通道交叉口处气相不容易将液相剪断，则液弹长度增大；而气相表观流速较大时，其对液相的剪切力增大，在T 通道交叉口处容易将液相剪断形成短液弹，但由于液相表观流速增大使得通道截面含液率增大，容易形成长液弹，二者共同作用，液速较小（UL＜0.20 m·s-1）时，后者起主要作用，液弹长度略有增大，液速较大（UL＞0.20 m·s-1）时，前者起主要作用，液弹长度略有减小。

2.3 传质

从图10(a)中可以看出，随着气相表观流速的增大，液侧体积传质系数kLa，液膜传质系数kL，传质比表面积a，以及Na均增大。这是因为气相表观流速的增大，使得液弹内循环区域液体流动速度增大，促进传递组分在液弹中的混合，使得kL增大；同时通道截面含气率上升，气泡长度增大，气液两相接触面积增大，a 值增大，Na也增大，所以kLa增大。

图10 气液表观流速对液侧体积传质系数kLa，液膜传质系数kL，传质比表面积a 的影响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

从图10(b)中可以看出，随着液相表观流速的增大，液侧体积传质系数kLa，液膜传质系数kL，以及Na均增大，但传质比表面积a 减小。这是因为液相表观流速的增大，使得液弹内循环区域液体流动速度增大，促进传递组分在液弹中的混合，使得kL增大；通道截面含气率下降，气泡长度减小，气液两相接触面积减小，a 值减小，但由于流速增大，Na为二者乘积，计算得Na增大，说明单位时间单位通道横截面积通过的气液两相传质面积增大，所以液侧体积传质系数kLa 增大。

图11 为气液表观流速和液侧体积传质系数kLa定量关系的拟合曲线图，从图中可以发现拟合曲线与实验数据的吻合度较好。液侧体积传质系数kLa均随气、液表观流速的增大而增大。

图11 气液表观流速与液侧体积传质系数kLa 关系图Fig.11 Liquid volumetric mass transfer coefficient kLa versus superficial gas and liquid velocities

液侧体积传质系数kLa 与随通道壁面润湿性的变化如图12 所示。从图中可以看出，亲水壁面比疏水壁面下的液侧体积传质系数kLa 要大。如图12 所示，该实验条件下亲水壁面微通道内流型全部为弹状流，疏水壁面微通道内流型全部为分层流，相比弹状流，由于分层流中气相只有一侧与液相接触，故气液相界面积a 要小很多，使得亲水壁面比疏水壁面下的液侧体积传质系数kLa 要大。

图12 液侧体积传质系数kLa 与壁面润湿性关系图Fig.12 Liquid volumetric mass transfer coefficient kLa versus wettability of microchannel

3 结 论

（1）亲水壁面下主要流型为：泡状流、弹状流；疏水壁面下主要流型为：非对称弹状流、拉长的非对称弹状流和分层流。

（2）亲水壁面弹状流区域下，气、液表观流速对气泡、液弹长度有显著影响：气泡和液弹长度随气、液表观流速之比的增大分别增大和减小；但当液相表观流速较大时，气泡和液弹长度变化幅度不大，当气相表观流速较大时，液弹长度随着液、气表观流速之比先增大后减小。

（3）液侧体积传质系数kLa 均随气、液相表观流速的增大而增大，随通道壁面润湿性的增强而增大，且亲水微通道比疏水微通道内的kLa 值提高30%左右。

符 号 说 明

a ——以通道内部体积为基准的气液两相传质比表面积，m2·m-3

Ca ——毛细数

ce——液相中CO2的平衡摩尔浓度，kmol·m-3

c0——微通道入口处液相中CO2的摩尔浓度，kmol·m-3

c1——微通道出口处液相中CO2的摩尔浓度，kmol·m-3

dB——气泡直径，m

kL——液膜传质系数，m·s-1kLa ——液侧体积传质系数，s-1

L ——微通道长度，m

LB——气泡长度，m

LS——液弹长度，m LUC——单元长度，m

Na——比表面积传递通量，m2·(m2·s)-1

UB——气泡运动速度，m·s-1

UL——微通道液相表观流速，m·s-1

Uslug——液弹平均运动速度

w ——微通道宽度，m

δf——液膜厚度，m

μL——液相黏度，Pa·s

σ ——表面张力，N·m-1

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