微通道内气-液两相传质过程行为及其应用

微通道内气-液两相体系中Taylor流和泡状流具有气泡尺寸均一、停留时间分布窄、可调控性强和比表面积高等优点,具有广泛的应用前景。从Taylor气泡和泡状气泡的传质过程出发,系统综述了微尺度下气泡的溶解规律、传质过程机理和传质/溶解模型等方面的研究进展,并介绍上述流型在反应或过程强化、基础物性及动力学数据测量和微纳材料合成方面的应用。最后总结并展望了技术领域的研究难点与研究方向。     

微通道气液两相流研究进展

介绍了国内外微化工发展背景及发展现状,微通道内气液两相流流动气泡特性和传质特性。微通道中(横向及竖向微通道)气液两相流流型划分主要有泡状流、弹状流、环状流、搅拌流等。气泡形成过程中流体挤压力对气泡表面进行破坏致使分离,表面张力则在整个过程中维持着气泡形状及长度。着重介绍了微通道内气泡形成过程及经验长度计算,比较了不同研究者提出的经验公式中气液相表观速度比和气泡长度的关系,得出气泡长度均随气液相表观速度比的增加而增加,但依据研究者实验条件不同增加趋势也不尽相同。传质方面,研究基本集中在气液相比表面积较大的泡状流、环状流上,而气液表观速度、当量直径、压强等都会影响传质系数。微通道气液两相流虽然在传热、传质方面有很大的应用前景,但仍存在研究手段单一、理论数据不完善等问题,指出在未来的研究中研究者们要扩大领域范围,为传质传热的实际应用提供更可靠的理论依据。     

超声微反应器内气液传质过程的介尺度强化机制

采用CFD方法对超声微反应器内的Taylor气液两相流的传质过程进行了模拟。针对传质过程中主要的介尺度结构,包括气泡表面波、空化声流、液相内的局部浓度,分析了其空间分布和时间演化规律。模拟结果有效捕捉了实验难以观测的液膜区域,并将液膜厚度与气泡表面波振动进行了关联,阐释了气液界面附近的空化声流对传质过程的强化作用。根据超声微反应器内Taylor流的传质特点,分别研究了不同流动和超声条件对液弹内和液膜处传质过程的影响,比较了各局部传质对整体传质效率的贡献。通过分析整体/局部Sherwood数与Peclet数间的关系,研究了超声效应对气液传质速率的影响。分析结果从介尺度角度验证了文献关于超声微反应器传质系数的计算,完善了超声微反应器内气液传质过程的强化理论。     

微通道内气-液弹状流动及传质特性研究进展

气-液弹状流,又称Taylor流,是一种以长气泡和液弹交替形式流动的流动形态。微通道内气-液弹状流因其气泡与液弹尺寸分布均一、停留时间分布窄、径向混合强等优点,是一种适于强化气-液反应的理想流型。本文首先介绍了微通道内气泡的生成机理、气泡和液弹长度,以及气泡生成阶段的传质特征。其次系统综述了主通道中弹状流动及传质过程的研究进展,包括气泡形状与液膜厚度、液弹内循环和泄漏流特征、气-液传质系数的测量与预测,以及物理与化学吸收过程中的传质特性等方面内容。最后阐述了当前研究的不足并展望了气-液弹状流的研究方向。     

微通道内气液两相流行为研究进展

综述了微通道内的气液两相流行为及传质特性。在微通道内流型一般分为泡状流、弹状流、环状流和弹状-环状流,没有分层流。气液传质效率比常规尺度中的提高了2～3个数量级。讨论了气泡对气液两相流的影响及其生成、生长和聚并规律。介绍了微通道内气液两相流的计算机模拟结果。从实验、理论和数值模拟3个方面对微通道内气液两相流的研究和应用前景进行了展望。     

微通道内Taylor流的计算流体力学数值模拟研究进展

简要阐述了计算流体力学(CFD)中流体体积函数法(VOF)的概念和原理。重点综述了采用CFD方法研究微通道中两相Taylor流的最新进展,包括两相流速度场、气泡或微液滴的生成、发展等流动特性、壁面处液膜厚度的影响因素、微通道内的传质传热特性等。最后展望了微通道内多相流CFD数值模拟的研究重点和应用方向。     

微气泡耦合生物反应器的研究进展

微气泡具有气液接触面积大、气体溶解速率快、上升速度慢和水中停留时间长等理化特征,非常适合于高气液传质效率需求的生物发酵过程。本文介绍了能够耦合生物反应器的几种微气泡发生装置,分别为微气泡分散器、微孔膜、流体振荡器耦合微孔膜和微气泡曝气搅拌桨;并简述了微气泡发生装置耦合搅拌式生物反应器、气升式生物反应器和生物膜反应器在生物反应过程的应用进展;最后回顾了二氧化碳微气泡在生物反应器的应用研究进展。指出微气泡耦合生物反应器的研究仍处于起步阶段,在放大规律和能耗方面仍处于研究空白。微气泡耦合生物反应器的发展对工业生物技术、石油化工、污水处理和资源再利用等的发展具有重要的意义。     

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

在1 mm×1 mm矩形截面下微通道内,以二氧化碳-水为工作流体,研究壁面润湿性和气液表观流速对气-液两相流型和气液传质的影响,并研究了气、液表观流速对弹状流流体力学性质的影响。在亲水微通道中观测到了泡状流、泡状-弹状流、弹状流;在疏水微通道中观测到了非对称弹状流、拉长的非对称弹状流、分层流。实验表明亲水微通道中弹状流区域下气泡长度大体上随气相表观流速的增大而增大,随液相表观流速的增大而减小;液弹长度大体上随气相表观流速的增大而减小,随液相表观流速的增大先增大后减小;液侧体积传质系数k_La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。     

泡状流中水合物生成预测模型及实验

针对可燃冰钻采井筒内易发生水合物生成和堵塞的工程问题,本文开展了泡状流条件下甲烷水合物生成实验,发现流速增加会提高水合物生成速率,黄原胶质量分数的增加会降低水合物生成速率。基于传质理论,构建了适用于可燃冰钻采井筒内泡状流条件下水合物生成预测模型,模型考虑了连续相流体流变性、气泡破裂、聚并和形变等因素对泡状流中气液界面分布和气液间传质规律的影响,并耦合实验数据,提出了气泡群间的综合传质系数经验公式,用于描述气泡间相互作用对气液间传质速率的影响。对比实验结果,所建立模型对水合物生成量和水合物生成速率的预测误差分别在±5%和±15%以内,满足工程计算需求。该模型的构建有助于精准预测油气和可燃冰钻采井筒内水合物风险,为建立经济、高效的井筒水合物防治方案奠定理论基础。     

泰勒流传质机制研究进展

微通道内气液两相泰勒流具有周期性、停留时间短以及比表面积大等优点,使其具有广泛的应用前景。全文阐述了气泡生成过程中的传质,介绍了泰勒流传质研究的模拟计算模型,以及相关实验得到的经验式。最后概括了目前泰勒流传质的研究进展并展望了泰勒流以后的研究方向。     

基于微吸收器的CO2吸收过程研究进展

微化工技术在流体流动、过程强化、传质与反应过程等领域备受关注,本文归纳整理了3种不同类型的微吸收器（微降膜吸收器、微通道吸收器和微网格吸收器）捕集CO₂过程中的水力学性质和传质过程及其机理研究进展,并对3种微吸收器吸收CO₂过程中存在的问题进行分析总结,同时对微吸收器能快速工业化提出展望。其中重点介绍了微通道泰勒流吸收器的水力学流动特性,包括泰勒流气泡的生成机制、气泡和液弹的长度、气泡的输运和运动速度、气泡截面形状及液膜厚度和气液两相流压降;归纳了微通道泰勒流吸收过程的传质过程机理和传质系数的模型以及不同影响因素（通道截面尺寸,通道长度,主通道结构及入口形状,气、液相组成及其流速,吸收剂和系统压力）作用下CO₂吸收效率和传质系数的研究进展。     

水平管泡状流相分布特性

<正>气液两相泡状流的主要特征是连续液相中携带散布其中的细小气泡,气泡的存在不仅对气液两相流的传热、传质及阻力特性有很大的影响,而且对两相流动的稳定性也有很大的影响.前人有关泡状流的研究大多偏重于两相流的平均参数,对于两相流局部统计参数如局部空隙率等参数的变化规律是近年来两相流研究的新趋势.对于垂直管内的流动已经积累了相当数量的数据,而同样有广泛应用的水平管内相分布规律还知之甚少.气泡对气液两相流的传热、传质及流动结构影响机理的研究必须以了解相分布及气泡的局部统计参数为前提,同时对相分布特性的深人研究也为气液两相流的数学模型化提供实验依据.本文以空气、水为工质,研究水平管内气液两相流的相分布特性,给出了典型泡状流的时域信号图,研究了相分布随气液两相流量的规律变化,并与前人的有关结果进行了比较.     

弯曲正方形截面微通道内气液两相流流型研究

以空气-水为工质,在不同曲率比下利用高速摄影仪对正方形截面为0.8mm×0.8mm的弯曲微通道进行了气液两相流流动特性实验研究,获得了典型流型毛细泡状流、弹状流、间歇流和环状流,发现了非典型毛细泡状流和少见的波状分层流,并将实验结果与相关文献进行对比,为合理设计微型换热器和微化工混合器的气液流动分布结构、保证微通道内优异的传热传质特性提供理论指导和技术支撑。     

封面说明

正Taylor流因具有轴向返混低、径向混合强等特性,在众多领域有广阔应用前景。封面图片给出了以空气-水为气-液两相体系,表观气速与表观液速分别为0.361 m·s?1和0.221 m·s?1时,Taylor气泡形成过程的可视化实验结果(左图)与数值模拟结果(右图)的比较。由图可见,数值模拟与实验观察的气泡长度、形状及形成周期都基本一致。说明该数值模拟方法能很好地模拟微通道内气-液两相Taylor流。详见本期805～812页。     

膜分散技术及其强化反应过程的研究进展

膜分散技术以多孔膜材料为“芯片”,通过微纳米孔道将气相/液相反应物分散成大量微气泡/液滴,是实现物质快速混合和高效传质的重要手段。本文概述了膜分散技术的原理及特点,介绍了近年来膜分散技术在制备微纳米粉体材料和强化多相催化反应过程方面的研究进展。在膜分散强化微纳米粉体制备方面,重点阐述了膜微孔道分散混合机理以及膜分散法在制备高分子微球和无机纳米颗粒过程中的应用进展。在膜分散强化多相催化反应过程方面,回顾了与膜分散强化气液两相流过程相关的实验研究及理论计算工作,评述了影响气泡形成及传质特性的关键因素,随后介绍了膜分散技术强化多相催化反应过程的研究现状。在此基础上,提出了未来膜分散技术的研究方向。     

微通道内液-液两相流研究进展

从流型、传质和应用3个方面,介绍了近年来微通道内液-液两相流的研究进展。液-液两相流型研究内容主要有两部分,即流型的观察、流型谱图的绘制以及考察多种因素对流型的影响,但是具有普适性的流型谱图和流型转变线仍未提出。液-液两相传质研究方法包括实验研究和数值模拟两种,主要研究在液滴流、弹状流和平行流3种稳定流型下的传质过程;且相对于定性研究,定量的传质研究较少。对于微通道内液-液两相流应用研究,主要体现在萃取、材料合成、生物结晶等方面。此外,对今后微通道内液-液两相的流型、传质和应用研究进行了展望,指出需从实验与模拟计算相结合以及拓展微通道内液-液两相流的应用研究两个方面进行深入研究,推进其工业化进程。     

宽矩形硅微通道中流动冷凝的流型

对水力直径90.6 μm、宽深比9.668的矩形硅微通道中的流动冷凝过程进行了可视化研究。研究发现,宽矩形硅微通道中的冷凝,沿程主要有珠状-环状复合流、喷射流和弹状-泡状流等流型。在珠状-环状复合流区,冷凝液膜可覆盖通道竖直侧壁,而在通道长边上,仍然为珠状凝结。喷射流位置随着入口蒸气Reynolds数的增大而延后,通道截面形状对流动冷凝不稳定性也存在很大影响。喷射流之后为弹状-泡状流,弹状气泡沿程逐渐缩短,并在表面张力的作用下收缩成圆球形气泡。冷凝通道的平均传热系数将随着入口蒸气Reynolds数的增大而增大。     

微纳米气泡应用于水中污染物氧化降解的进展与挑战

微纳米气泡以其粒径小、存在时间长、传质效率高以及可产生羟基自由基等特性,已在水污染氧化降解领域受到广泛关注。介绍了微纳米气泡的产生机制与行为特性,系统概述了微纳米气泡氧化技术在地下水水体修复、废水处理及地表水净化方面的研究进展。最后,提出了微纳米气泡氧化技术应用于水污染消除的挑战,并展望了微纳米气泡氧化技术在水环境控制中的应用前景和后续研究方向。     

垂直圆管内湍流泡状流的数值研究

在经典Euler/Euler型水动力模型基础上,引入考虑不同直径气泡的种群平衡方程来描述气液两相泡状流,对液相和气相分别建立了基本方程,通过对气泡的受力分析并考虑气泡之间聚合和破碎效应后给出了本构方程,建立了封闭的双流体模型并用于垂直管道湍流泡状流的三维数值模拟.模型预测值与实验数据的比较结果表明该模型能较好地模拟垂直管道湍流泡状流中的相含率分布、速度分布、湍动能分布、气泡直径分布以及气泡直径分布的演变过程.     

微纳气泡技术及在农业种植与养殖方面的应用

微纳米气泡具有很多独特的性质,如超长寿命、表面带电、比表面积大和传质效率高等.由于这些独特性质,微纳米气泡在诸多领域表现出巨大的应用前景,如水处理、农业、清洗、生物医药、土壤改良等.文中重点介绍了微纳米气泡在农业、水产养殖业中的应用.首先,介绍了微纳米气泡的定义和特性;其次,对微纳米气泡在农业养殖方面的应用进行了简要综...