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微通道中两相流压降与传质的研究

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第23卷第4期 2007年8月 化学反应工程与工艺 Chemica1 Reaction Engineering and Technology VO1 23,NO 4 Aug.2007 文章编号:1001--7631(2007)04—0309—06 微通道中两相流压降与传质的研究 聂晶尧 宋宏宇 袁向前 周兴贵 (华东理工大合化学反应工程研究所,上海 200237) 摘要: 以氮气和水为实验体系,采用均质混合模型,研究微混合器的微通道中两相流通过微通道的压降, 并测定了两相流的传质系数。结果表明,微通道当量直径为95.2 m,气体速率为1.089~4.355 m/s,液 体速率为0.006 41~0.170 90 m/s的条件下,均质混合模型计算压降值与实测值吻合良好。气速为 1.633~3.484 m/s,液速为0.025 6 m/s时,随着气速增加,传质系数呈递增的趋势。气速为 1.633~3.484 m/s,液速为0.o19 2 m/s时,随着气速增加,传质系数先增加后降低然后再增加。传质系 数对液速变化更为敏感。 关键词:微通道;压降;传质;两相流 中图分类号:TQ021.4 TQ051.7+1 文献标识码:A 气液两相流在工业上有着广泛的应用,如连续循环反应器、鼓泡塔反应器和气液管式反应器 等【_1J。目前,在化学工程领域,有关微型混合器的基础和应用研究主要集中在两相流的流型、压降和 微通道内的传质和传热方面。在两相流微通道中,传质和压降是研究的主要内容,特别是冷模中压降 的研究,为热模中工艺管路设计提供了重要依据r2]。微通道内的传质和反应过程也引起了研究者的广 泛关注,但尚无很明确的研究结果。有研究表明,当流速相同的流体分别流经当量直径为5O m的 微通道和直径为5O mm的管道时,微通道内的流体流动雷诺数远小于管道内流体流动雷诺数,通常 为几百到几十,甚至更小。微通道内的流体粘性力比惯性力大,而且微通道内的流体流型多为层流, 通过扩散传质。关于通道尺寸对摩擦损失的影响,研究者也有不同的见解。Mishima等 认为,当圆 管直径小到0.5 mm时,无论是层流还是湍流,单相流的摩擦损失可以与修正公式得到很好的拟合。 Peng等r4]发现当量直径在0.133~0.367 mm的矩形微通道流动阻力比常规的大尺寸管路小,判断流 型转换的雷诺数也比常规的大尺寸管路的雷诺数小。本研究测定了两相流在微通道的压降和传质系 数,采用均质混合模型计算两相流通过微通道的压降,探讨微通道内流体的流动特性,为今后对微通 道及微混合器的深人研究作铺垫 1 实验部分 1.1微混合器 微混合器微通道结构由两块微通道结构板A和B组成,如图1和2所示。A和B均采用不锈钢 材料,光化学蚀刻法加工制造。在微通道结构板A中有13个平行的微通道,结构尺寸相同,深 5O m,宽1 mm,长20 mm,当量直径为95.2 m。在微通道进口端为液相分布区,连接进液口。每 个微通道进口端底部为气相进料孔,连接微通道结构板B的气体分布区,孔径均为0.5 mm。在微通 道出口端为流体汇集区,连接出料口。而在微通道结构板B上,加工有气体分布区和出料口,其中 气体分布区连接进气口。两块微通道结构板A,B上均有两个定位口,与两个不锈钢外夹套的定位孔 收稿日期:2006—12-18;修订日期:2007—03—30 作者简介:聂晶尧(1982--),女,硕士研究生;袁向前(1956一),男,副教授,通讯联系人。E-mail:yuanxiangqian@ecust.edu.cn 维普资讯 http://www.cqvip.com 31O 化学反应工程与工艺 2007年8月 相对应,其中一个外夹套连接有进气口、进液口和出料口。 在微混合器中,气体经进气口进入板B的气体分布区,通过相邻板A上的气相进料口,进入微 通道。液体经进液口进入板A的液体分布区,流进微通道,与从气相进料口进入的气体接触,混和 流体流进微通道到达流体汇集区,随后经出料口流出混合器。 图1微通道结构板A Fig.1 Micro—channels A 图2微通道结构板B Fig.2 Micro—channels B 1.2压降测定 两相流的压降测试装置如图3所示。氮气经过滤器进入缓冲罐,随后经转子流量计进入混合器, 控制氮气体积流率为1O~30 L/h。去离子水由注射泵均速提供,体积流率为45~300 mL/h。实验条 件下为气体空速Uc1.089 ̄4.355 m/s,液体空速U 0.006 41~O.170 90 m/s。在微混合器前安装精 密压力表,当流体稳定后测混合器进口压力。 图3测压降流程 Fig.3 Pressure drop measuring flow 1.3传质系数测定 采用氮气和水实验体系测定两相流的传质系数。氮气和水两相流经微混合器混合后进入锥形瓶, 锥形瓶放置在搅拌器上,溶氧仪的探头伸入到锥形瓶的水相液面下,测定水中的氧含量。测传质系数 时,先在微混合器内通人空气和水,使水中氧含量达到饱和。关闭空气阀门,通人氮气,氮气扩散进 入水中,将水中的溶解氧替换出来,使水中氧含量降低。从微混合器中流出的水与锥形瓶中水的氧含 量之间的差值形成传质的推动力,使得锥形瓶中水的氧含量持续下降直到和微混合器中流出的水中氧 含量一致。混合器传质系数越大,传质的推动力也就越大,溶氧仪所测到的氧含量变化越快。整个混 合过程,溶氧仪与记录仪相连,记录仪的曲线进行数据处理拟合得传质系数。要获得只通过微混合器 混合作用的传质系数,先拆除微混合器,测定只有搅拌器搅拌作用下的传质系数,用总的传质系数减 去只在搅拌作用下的传质系数,可获得只通过微混合器混合作用的传质系数。此外微混合器出料口要 高于锥形瓶内液面部分,排除在搅拌过程中鼓泡的扰动作用对实验结果产生影响。传质系数测定实验 维普资讯 http://www.cqvip.com

第23卷第4期 聂晶尧等.微通道中两相流压降与传质的研究 311 流程如图4所示。 dissolced oxygen ll1st|LImelit 图4传质系数测定实验流程 Fig.4 Mass transfer measuring flow 2结果与讨论 2.1压降分析 分析水平气液两相流的压力常用的方法有两种,一种是采用drift flux模型来计算微通道内的空 隙率,由微通道内的摩擦压降和进出口速率变化所引起的压降损失来计算总压 ],另一种是采用均质 混合模型来计算压降。均质混合模型是计算两相流压降最简单的方法,由Unagar和Cornwell提 出L2],在直径为1.46~3.15 mm的微通道中两相流的实验数据拟合效果比较好。 c )FT 一 器; 一 ; 一c孟+ 式中,( )FTP是压降梯度,Pa/m ̄^ 是两相流的范宁摩擦系数;pr 是两相流的密度,kg/m ; R 是两相流的雷诺数;D是当量直径,m; 度,Pa・S。 、 。、 分别为两相流的粘度、气相粘度和液相粘 根据测压实验装置,测压点在气体进入微系统的两通之前,总的压降包含微通道摩擦压降△P , 流体流入、流出微通道与壁面碰撞产生的壁面压降△P ,进出口速度变化所引起的压降损失,从入 口汇集区到微通道的突然缩小引起的压降以及从微通道到出口汇集区的突然扩张引起的压降△P , 进出口处的两通产生的压力降△Pc,即△P =△P +△P +△P +△P +△P 。 图5和6分别描述了低液速和高液速下,气液速率比与压降的关系。可见,随着气液速率比的增 加,压降也随之增加。在低气液速率比下,压降的增加幅度小,气液速率比与压降的曲线平缓。在高 气液速率比下,压降的增加幅度大,气液速率比与压降的曲线陡峭。 莹 l l /UL /UL 图5低液速下气液速率比与压降的关系 Fig.5 Relationship of pressure drop and ratio of gas to liquid under low liquid velocity 图6高液速下气液速率比与压降的关系 Fig.6 Relationship of pressure drop and ratio of gas to liquid under high liquid velocity 维普资讯 http://www.cqvip.com 312 化学反应工程与工艺 2007年8月 图7为不同液速下雷诺数和压降比(压降比为理论值与实验值之比)的关系。在不同的液速下, 雷诺数对应压降比为O.25~1.20。低液速( 一0.019 2 m/s)时,随着雷诺数的增加,压降比由 1.05减Jb ̄KJO.80。液速在0.034 2 m/s,0.042 7 m/s和O.085 5 m/s时,压降比为09~O.98。液速为 .0.128 2 m/s和0.170 9 m/s时,压降比为0.75~O.92。从图7可以看出,实验测定的压降值与理论计 算的压降值存在一定的偏差,由于操作过程中随着气液速率比变化,微通道气液两相流的流型不断变 化,操作条件不稳定将导致实验值与理论值存在偏差。该实验结果比文献[2]中报道的雷诺数对应 的压降比值小一个数量级。 图7不同液速下雷诺数与压降比关系 Fig.7 Relationship of Re and pressure drop ratio under different liquid velocity 图8不同粘度模型气液速率比与压降关系 Fig.8 Pressure drop and ratio of superficial gas velocity tO superficial liquid velocity by different models 在液速0.106 8 m/s时,采用不同粘度模型公式计算出来的压降与气液速率比关系见图8,其中: a: TP一 I.[6]; b: TP一即G+(1一z) L ; c: TP一(三+ G L )一 [6 ; d. ==: ]I e:实测值。 从图8的不同模型计算值可以看出,a和b随着气液速率比的增加呈递增趋势,C和d随着气液 速率比的增加呈递减趋势,e是实验测定值。b和e比较接近,即由粘度模型公式b计算出来的压降 与实验测定压降值吻合较好,可以采用该粘度公式对微通道内的压降进行理论计算。 2.2传质系数 传质过程可分为两部分:界面上的氮气解吸水中的氧,即氮气进入水气界面将水中的溶解氧替换 出来;氮气由界面向下扩散,即界面处的溶解氧和水体内溶解氧再分配过程,氮气替换水体中的溶解 氧,直至解吸达到平衡。通常假定水体内溶解氧浓度沿水深分布均匀,浓度变化符合下式 : dU—k2(C。一C) 式中,Cs为饱和溶解氧的浓度,mg/L;C为断面平均溶解氧浓度,mg/L;k 为水体复氧系数,h硼。。 微通道中流体流动的雷诺数很小,粘性力相对于惯性力而言很大,流体流型主要为层流,因此扩 散成为传质过程的主要控制因素。在微混合器内,流体的流层变薄,相间接触面积增加,扩散路径变 短,实现两相问的均匀、超快速地混合。减小通道尺寸将大大缩短扩散时间,微混合器通过将流体反 复分割和合并,使分子扩散距离减小,反应物在毫秒级范围内即可达到径向完全混合。微混合器内的 传质效果还与气液混合的流型有关,不同流型下的混合效果有较大差异口。。。 固定液速,变化气速,得到气液速率比与传质系数的关系见图9。可以看出,液速为 维普资讯 http://www.cqvip.com 第23卷第4期 聂晶尧等.微通道中两相流压降与传质的研究 313 0.025 6 m/s,气液速率比为63.79~136.09时,随着气速增加,传质系数呈递增的趋势,传质系数的 最大值可以达到0.750 m/h,随着气液速率比的增加,传质系数呈继续增加的趋势。液速在 0.019 2 m/s,气液速率比为85.O5~181.46时,随着气速增加,传质系数先增加后降低,然后再增 加,传质系数的最大值可以达到0.340 m/h,这是由于在气液速率比为100~120时存在流型转变, 对传质效果产生影响。 UcI 1 UL 图9气液速率比与传质系数关系 Fig.9 Relationship of ratio of gas tO liquid velocity and mass transfer coefficient chart 图lO空白实验传质系数 Fig.10 Mass transfer coefficient of blank experiments 空白实验在单纯搅拌下进行,固定气速、改变液速,测两相流的传质系数,液速为 0.012 82~O.170 9 m/s。从图1O可以看出,传质系数随气液速率比增加呈两段式递增,即气液速率比 为1O~2O和22~36时,传质系数递增,空白实验的传质系数最高达到0.172 m/h。气液速率比为2O ~22存在突变,推测其原因是两相流流型转变所致,由气泡流转变为活塞流,活塞流时气液两相混 合不充分,传质系数降低。气液速率比为22~32时,流型由活塞流向全混流转变,传质系数增加。 气液速率比为32~35时,流型转变为全混流,传质效果最好,气液速率比关于传质系数的关系图陡 峭,传质系数增加幅度大。根据文献报道-2],气液两相流速率比以及气速和液速的不同,微通道内存 在气泡流、活塞流、全混流、活塞流一环状流和环状流不同流型间的转变。目前对微通道两相流研究, 不同研究学者对流型的转变有不同的见解,尚无定论,有待进一步的研究。 3 结 论 a)采用均质混合模型研究微混合器的微通道中两相流通过微通道的压降,计算结果与实验测定 数据吻合很好。由粘度模型公式 一犁。十(1一 ) 计算出来的压降与实验测定压降值吻合最好, 可以采用该粘度公式对微通道内的压降进行理论计算。 b)在气速为1.633~3.484 m/s,液速为0.019 2 m/s时,传质系数先增加后降低,然后再增加, 气液速率比在100~120存在流型转变,对传质有影响。在气速为1.633~3.484 m/s,液速为 0.025 6 m/s时,传质系数的最大值可以达到0.750 m/h,随着气液速率比的增加,传质系数呈继续 增加的趋势。 参考文献: 1 Zhao T S,Bi Q C.Pressure Drop Characteristics of Gas~Liquid Two—Phase Flow in Vertical Miniature Triangular Channels.Int J Heat Mass Transfer.2001,44(13):2523~2534 2 Triplett K A,Ghiaasiaan S M.Gas—Liquid Two-Phase Flow in Microchannels PartⅡ:Void Fraction and Pressure Drop.Int J Multiphase Flow,1999,25(3):395~4lO 3 Mishima K,Hibiki T.Some Characteristics 0f Air—Water Two—Phase Flow in Small Diameter Vertical Tubes.Int J Multiphse Flow, 1996,22(4);703~712 维普资讯 http://www.cqvip.com

314 化学反应工程与工艺 2007年8月 4 Peng X F,Wang B X.Frictional Flow Characteristics of Water Flowing Through Rectangular MicrochannelsInt J Heat Mass .Transfer,1994,(4):249~264 5 Jun,Chen,Quan.Pressure Drops of Single and Two-Phase Flows Through T—Type Microchannels Mixers.Chemical Engineering Journal,2004,(10):11~24 6 Wallis G B.One Dimensional Two-Phase Flow:Heat Transmission.3rd ed.New York:McGraw—Hill,1969.225 7 Wong T N,Ooi K T.Refrigerant Flow in Capillary Tube:an Assessment of the Two—Phase Viscosity Correlations on Mode1.Int Comm Heat Mass Transfer,1995,22(4):595~604 8 Lin S Local Frictional Pressure Drop During Vaporization for R-12 Through Capillary Tubes.Int J Multiphase lfow,1991,17(1):95 ̄102 9 李 然,赵文谦.紊动水体表面传质系数的实验研究.水利学报,2000,(2):92 ̄96 Li Ran,Zhao Wenqian.Experimental Study on Interfacial Mass Transfer Coefficient of Turbulent Water.Journal of Hydraulic Engineering,2000,(2):6O~65 10埃尔费德w,黑塞尔V,勒韦H.微反应器现代化学中的新技术.北京:化学工业出版社,1999.195 Study on Two’Phase Flow Pressure Drop and Mass Transfer in Parallel Microchannels an Zhou Xinggui Nie Jingyao Song Hongyu Yuan Xiangqi(UNILAB Research Center of Cheraica1 Reaction Engineering,ECUST,Shanghai 200237,China) Abstract:Pressure drop and mass transfer coefficient of two—phase flow in micro—channels were measured by homogeneous hybrid model in N2-H2 O two—phase flow experimental system.The results showed that the pressure drop values calculated by the homogeneous hybrid model agreed with the experimental values on the conditions of microchannels equivalent diameters 92.5 m,superficial gas velocity 1.089—4.355 m/s and superficial liquid velocity 0.006 41—0.170 90 m/s.The mass transfer coefficient increased with the increase of the ratio of superficial gas velocity to superficial liquid velocity under the liquid velocity 0.025 6 m/s when the superficial gas velocity was 1.633—3.484 m/s.The mass transfer coefficient firstly increased with the increase of the ratio of superficial gas velocity to superficial liquid velocity then decreased with it,lastly increased with it again,when the superficial gas velocity was 1.633—3.484 m/s.The mass transfer coefficient was influenced by the liquid velocity more. Key words: microchannels;pressure drop;mass transfer)two—phase flow La Seda将在葡萄牙建70万t/a PTA装置 西班牙La Seda de Barcelona公司介绍,其子公司Artenius Sines将在葡萄牙Sines 地区建一套70万t/a精对苯二甲酸(PTA)装置,预计2010年第一季度投产。该公司 与Aker Kvaerner公司签订了3 000万欧元的合同,由Aker Kvaerner公司提供工程、设 备采购和技术管理服务。La Seda公司是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)瓶级树脂的主 要生产厂商,由于其在英国wilton地区有67万t/a PTA装置,也是PTA商品市场的 主要供应商。欧洲委员会于今年年初同意葡萄牙出资9 929万欧元入股Sines项目, 该项目总投资费用为3.60亿欧元,可提供150个就业机会。 沈菊华摘自美CW,2007—8-29 

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