郭戎威,付濤濤,朱春英,馬友光

(化學(xué)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,天津大學(xué)化工學(xué)院,天津 300072)

氣液兩相體系在化學(xué)工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用,反應(yīng)、分離和純化等化工過程大多涉及到氣液兩相流的傳遞過程[1-5]。由于傳統(tǒng)設(shè)備效率偏低,氣液兩相流的傳遞過程強(qiáng)化受到廣泛關(guān)注[6-9]。因此,微化工技術(shù)作為化工過程強(qiáng)化的有效手段之一,自20 世紀(jì)90年代起得到了快速發(fā)展和應(yīng)用[10]。

微化工技術(shù)的基礎(chǔ)設(shè)備是微通道,與傳統(tǒng)設(shè)備相比,微通道是微尺度下的受限空間,其特征尺寸在數(shù)十到數(shù)百微米之間,具有傳遞效率高、可操控性強(qiáng)、操作靈活等優(yōu)點(diǎn)。但微通道的處理量小,是微化工技術(shù)工業(yè)化的一大瓶頸。比較而言,微通道的尺寸放大會(huì)導(dǎo)致較強(qiáng)的放大效應(yīng),隨著特征尺寸的放大,通道內(nèi)的傳質(zhì)性能有所降低[11-12]。而并行放大則可以較好地保持單通道優(yōu)良傳遞特性[13]。但并行放大不可避免地會(huì)對(duì)流體分布產(chǎn)生不利影響。實(shí)際上,正是流體分布的不均勻性嚴(yán)重限制了并行微通道的應(yīng)用。因此,如何對(duì)微通道進(jìn)行并行放大,并將其應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中成為了國(guó)內(nèi)外研究者的主要關(guān)注點(diǎn)。本論文針對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相體系的流動(dòng)和傳質(zhì)、微通道的并行放大研究進(jìn)行綜述,并對(duì)微化工技術(shù)的未來發(fā)展進(jìn)行展望。

1 微通道內(nèi)的氣液兩相流

1.1 氣液兩相流的流型

微通道內(nèi)氣液兩相流的流型直接影響著停留時(shí)間、比表面積和傳遞性能[14-15]。目前已知的兩相流常見流型有泡狀流、彈狀流(泰勒流)、攪拌流和環(huán)狀流,如圖1 所示。

圖1 微通道內(nèi)無傳質(zhì)的氣液兩相流常見流型(Zhang 等[16]的研究)Fig.1 Typical flow patterns of gas-liquid two-phase flow without mass transfer in microchannel(Given by Zhang’s [16] study)

圖1 中,彈狀流由于其較高的穩(wěn)定性、較大的操作范圍和良好的可控性,成為了兩相流進(jìn)行傳遞過程的最適宜流型[17]。

伴有傳質(zhì)的氣液兩相流在彈狀流下的流動(dòng)情況如圖2 中Yin 等[18]的研究所示,彈狀氣泡在向下游流動(dòng)的過程中,由于液相對(duì)氣泡的持續(xù)不斷的吸收作用,其長(zhǎng)度不斷減小,形成彈狀-泡狀流或彈狀流。而在流動(dòng)過程中,一方面由于氣泡的表面積逐漸縮小,另一方面由于液相中的吸收劑逐漸飽和,因此在通道下游的氣泡縮短趨勢(shì)逐漸減緩。

圖2 微通道內(nèi)伴有傳質(zhì)的氣液兩相流常見流型[18]Fig.2 Typical flow patterns of gas-liquid two-phase flow with mass transfer in microchannel[18]

在水平放置的微通道中,氣液兩相流流型主要由慣性力、黏性力和表面張力共同控制,因此氣液相流量、物理性質(zhì)和通道結(jié)構(gòu)均會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。相較于傳統(tǒng)宏觀設(shè)備,氣液兩相流在微通道內(nèi)受到慣性力的作用相對(duì)較小,黏性力和表面張力在受限空間內(nèi)占據(jù)主導(dǎo)作用[19]。目前,已有文獻(xiàn)對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相流的流型轉(zhuǎn)換線進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

研究初期,由于對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)機(jī)理缺乏理解,流型轉(zhuǎn)換線的預(yù)測(cè)式大多以氣液相流量為劃分標(biāo)準(zhǔn)。Triplett 等[20]采用空氣-水的氣液兩相流體系,分別在圓形微通道和三角形微通道中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究。以氣相和液相的表觀速度為坐標(biāo)將所有的流型轉(zhuǎn)換線繪出,發(fā)現(xiàn)不同微通道內(nèi)的流型轉(zhuǎn)換線具有一定的相似性。

這種簡(jiǎn)單的流型劃分方式十分清晰直觀,為后續(xù)對(duì)流型的深入研究奠定了基礎(chǔ)。但此類預(yù)測(cè)式忽略了流體物性和通道結(jié)構(gòu)的影響,僅適用于文獻(xiàn)所采用的操作條件,其適用性十分有限。隨著對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)機(jī)理的不斷深入研究,各種流型的形成機(jī)理及其在形成過程中受到的作用力逐漸被科研工作者所認(rèn)知。通過分析慣性力、黏性力和表面張力對(duì)流型的影響,以一系列無量綱準(zhǔn)數(shù)作為流型轉(zhuǎn)換的衡量標(biāo)準(zhǔn),做出了流型轉(zhuǎn)換線的準(zhǔn)數(shù)關(guān)聯(lián)預(yù)測(cè)式。這類預(yù)測(cè)式具有更普遍的適用性。

Akbar 等[21]分析了微尺度下慣性力和表面張力對(duì)氣泡生成和流動(dòng)過程的影響,并采用Weber 準(zhǔn)數(shù)表示慣性力和表面張力之比,將氣液兩相流流型劃分為表面張力控制區(qū)、共同控制區(qū)和慣性力控制區(qū)3 個(gè)區(qū)域。Yue 等[22]考慮到微通道結(jié)構(gòu)對(duì)氣液兩相流流型的影響,在不同水力直徑的微通道內(nèi)對(duì)氣液兩相流流型進(jìn)行了研究。其研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)Akbar 等提出的預(yù)測(cè)模型針對(duì)不同水力直徑的微通道均具有較好的適用性。而Wang 等[23]在研究中發(fā)現(xiàn),微通道氣液兩相流流型的不僅受到慣性力和表面張力的影響,還受到液相的黏性力的作用。因此,在微通道內(nèi)采用Capillary 準(zhǔn)數(shù)來表示流體受到黏性力與表面張力的作用,對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的流型進(jìn)行了更加精確的預(yù)測(cè)。

此外,Dang 等[24]利用CLSVOF 和VOF 2 種方法對(duì)微通道內(nèi)氣泡的生成過程進(jìn)行了模擬研究,對(duì)接觸角、表面張力和黏度對(duì)流型的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果證明,數(shù)值模擬作為研究微通道兩相流的重要手段,在研究多變量的操作條件時(shí)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。

迄今為止,眾多研究者已經(jīng)對(duì)微通道內(nèi)的兩相流的流型進(jìn)行了大量的研究,但由于微通道內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理十分復(fù)雜,普適的流型轉(zhuǎn)換機(jī)理仍未能建立。同時(shí),目前的研究主要集中于無相間傳質(zhì)的氣液兩相流,對(duì)伴有傳質(zhì)的氣液兩相的研究仍不充分。在伴有傳質(zhì)的氣液兩相流在微通道內(nèi)流動(dòng)過程中,由于液相對(duì)氣泡的持續(xù)吸收作用,其氣泡長(zhǎng)度會(huì)沿通道持續(xù)減小,使得伴有傳質(zhì)的氣液兩相流在微通道內(nèi)的流動(dòng)機(jī)理更為復(fù)雜,其流型的轉(zhuǎn)換也受到更多控制因素的影響[25]。深入地研究伴有傳質(zhì)的氣液兩相流在微通道內(nèi)的流型及流型轉(zhuǎn)換規(guī)律是目前研究的主要聚焦點(diǎn)。

1.2 氣液兩相流的相間傳質(zhì)

目前在微通道內(nèi)研究氣液傳質(zhì)的方法主要為在線分析法。采用高速攝像機(jī)對(duì)伴有傳質(zhì)的氣液兩相流在微通道內(nèi)的流動(dòng)過程進(jìn)行拍攝,通過對(duì)氣泡體積減小速率進(jìn)行計(jì)算,得到氣液兩相流在微通道內(nèi)的傳質(zhì)特性。

1.2.1 泡狀流

在泡狀流流型下,生成的氣泡為球狀,其初始長(zhǎng)度小于或等于微通道的寬度,且其相鄰的液彈長(zhǎng)度較長(zhǎng),2 個(gè)相鄰氣泡間的距離較遠(yuǎn)。

Lu 等[26]在研究中發(fā)現(xiàn),在泡狀流流型下,氣泡在生成過程中的傳質(zhì)量可以占到總傳質(zhì)量的50%～60%,是通道內(nèi)傳質(zhì)的主要貢獻(xiàn)者。Pennemann 和Hessel[27]的研究則指出,泡狀流下的氣泡在流動(dòng)過程中體積不斷減小,其尺寸將遠(yuǎn)小于通道寬度,此時(shí),氣泡受到流場(chǎng)軸向的推動(dòng)力逐漸減弱,受到的徑向作用逐漸占據(jù)主導(dǎo)。因此氣泡在下游聚集和停滯,不利于傳質(zhì)過程的進(jìn)行。也因此,下游微通道內(nèi)的氣泡在流動(dòng)過程中的傳質(zhì)速率較低。研究表明,若微通道具有足夠長(zhǎng)的長(zhǎng)度,通道下游處的氣泡尺寸幾乎不發(fā)生變化,傳質(zhì)的主要貢獻(xiàn)區(qū)域?yàn)樯刹糠趾屯ǖ郎嫌巍?/p>

一般來說,氣泡的尺寸越小,其比表面積越大,越有利于傳質(zhì)系數(shù)的提高。但當(dāng)泡狀流形成時(shí),其對(duì)應(yīng)的微通道內(nèi)的氣相流量往往比較小,氣相在氣泡的生成過程中需要經(jīng)過一段時(shí)間的積壓才能進(jìn)入主通道中,因此微通道內(nèi)的泡狀氣泡生成頻率較低,無法形成密集的泡狀流。因此,微通道內(nèi)的氣液兩相總接觸面積并不大,總體積傳質(zhì)系數(shù)也并不高。

1.2.2 彈狀流

彈狀流下生成的氣泡長(zhǎng)度大于微通道的寬度,相鄰氣泡之間存在較短的液彈。在此流型下,其返混程度較小,近似于平推流[28]。

Yao 等[29]在研究中發(fā)現(xiàn),彈狀流下的液彈中存在較強(qiáng)的液彈內(nèi)循環(huán),這種流動(dòng)模式對(duì)提升傳質(zhì)效率具有促進(jìn)作用。此外,Yao 等[30]還發(fā)現(xiàn),矩形微通道內(nèi)存在角區(qū)泄漏流,角區(qū)泄露流對(duì)傳質(zhì)過程具有抑制作用。而角區(qū)的大小由流體的物理性質(zhì)和操作條件共同決定。在彈狀氣泡向下游流動(dòng)的過程中,其氣泡體積逐漸減小,因此其氣液兩相接觸面積持續(xù)下降。同時(shí),氣泡體積的減小也會(huì)導(dǎo)致氣泡流動(dòng)速度的逐漸減緩,這會(huì)造成液彈內(nèi)循環(huán)的減弱。這2 方面的原因共同決定了氣液傳質(zhì)效率隨彈狀氣泡的流動(dòng)而減弱。彈狀流下的液彈內(nèi)循環(huán)和泄漏流示意圖已在Yao等[30]的研究中給出,如圖3 所示。

圖3 液彈內(nèi)循環(huán)和泄漏流示意圖[30]Fig.3 Schematic showing of the recirculation and leakage flow[30]

Zhang 等[31]在對(duì)彈狀流下吸收過程的三維模擬研究中,發(fā)現(xiàn)液彈內(nèi)的濃度場(chǎng)和速度場(chǎng)均存在旋渦,這也證明了泄漏流的存在。同時(shí),氣泡流動(dòng)狀態(tài)的變化導(dǎo)致了液彈內(nèi)循環(huán)的減弱。此外,他們還定量分析了液膜厚度對(duì)傳質(zhì)的影響,結(jié)果表明,在氣泡的流動(dòng)過程中,其周圍的液膜逐漸增厚,略微地提升了傳質(zhì)系數(shù)。Ye 等[32]考察了微通道內(nèi)氣液兩相流的傳質(zhì)系數(shù)和體積傳質(zhì)系數(shù)隨氣泡在通道內(nèi)位置的演變規(guī)律,并研究了傳質(zhì)推動(dòng)力隨流動(dòng)過程的變化。研究表明傳質(zhì)系數(shù)kL和體積傳質(zhì)系數(shù)kLa 隨流動(dòng)的變化存在臨界位置。在臨界位置之前,液彈內(nèi)循環(huán)對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響占主導(dǎo)作用,而臨界位置之后角區(qū)泄漏流對(duì)傳質(zhì)系數(shù)的影響占主導(dǎo)作用。Guo 等[33]研究了彈狀流下非水溶液對(duì)CO2的吸收過程,結(jié)果表明,在高黏的非水溶液體系下,微通道仍能保持較高的比表面積和較好的傳質(zhì)性能,其液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)遠(yuǎn)高于宏觀設(shè)備。

彈狀流下的氣泡生成頻率較快,排列較為緊密,因此通道內(nèi)的氣液接觸面積較大。同時(shí),彈狀流具有良好的可控性和較好的穩(wěn)定性,因此一般將氣液反應(yīng)控制在此流型下進(jìn)行。

1.2.3 環(huán)狀流

環(huán)狀流流型下,氣相和液相均會(huì)連續(xù)地流過微通道,不再出現(xiàn)交替排布的氣泡和液彈。Yue 等[34]在研究中發(fā)現(xiàn),環(huán)狀流流型下的氣液接觸面積較彈狀流有所下降,并且不隨氣液兩相流量的改變而改變。Sobieszuk 等[35]認(rèn)為,環(huán)狀流會(huì)削弱對(duì)流傳質(zhì),導(dǎo)致微通道內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)下降。同時(shí),由于環(huán)狀流的不穩(wěn)定性以及伴隨而來的高壓力降,一般不將此流型作為氣液兩相反應(yīng)的主要流型。

微通道內(nèi)氣液兩相流的傳質(zhì)特性是對(duì)微通道性能的最直接的判斷依據(jù)。氣液兩相流在微通道內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù)是在微通道內(nèi)進(jìn)行兩相流反應(yīng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。液相對(duì)氣相的吸收會(huì)改變氣泡在通道內(nèi)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,同時(shí),氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的改變也會(huì)影響氣液兩相的相間傳質(zhì)過程。大量研究表明,氣液兩相流在微通道內(nèi)的比表面積和體積傳質(zhì)系數(shù)可比傳統(tǒng)宏觀設(shè)備高2～4 個(gè)數(shù)量級(jí)[36]。

1.2.4 傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)式

微通道內(nèi)氣液兩相流的各種已知流型中,彈狀流作為一種操作范圍較寬、流體流動(dòng)穩(wěn)定、氣液接觸面積的流型,其傳質(zhì)模型得到了研究者們的廣泛研究。彈狀流流型下的體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)模型從最初簡(jiǎn)單的純經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式發(fā)展為目前半理論半經(jīng)驗(yàn)的無量綱準(zhǔn)數(shù)模型。

Bercic 和Pintar[37]研究了圓形微通道內(nèi)氣液兩相流的傳質(zhì)過程,發(fā)現(xiàn)其體積傳質(zhì)系數(shù)主要由氣液兩相流量決定,通過實(shí)驗(yàn)中得到的流體表觀流速、空隙率和氣液?jiǎn)卧L(zhǎng)度擬合得到了關(guān)于體積傳質(zhì)系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)聯(lián)式:

式(1)中:uB代表氣泡在通道內(nèi)的流動(dòng)速度;uL代表液彈在通道內(nèi)的流動(dòng)速度;ε 代表微通道內(nèi)的空隙率;lUC代表一個(gè)氣液?jiǎn)卧拈L(zhǎng)度。

而van Baten 和Krishna[38]引入了滲透理論,通過引入擴(kuò)散系數(shù)對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)模型進(jìn)行了修正。他們?cè)谘芯恐兄赋?微通道內(nèi)彈狀流的體積傳質(zhì)系數(shù)為氣泡主體部分和氣泡球帽部分,而這2部分的傳質(zhì)機(jī)理有著明顯的不同,應(yīng)當(dāng)分別進(jìn)行計(jì)算。

式(2)中:kL,cap和kL,body分別代表氣泡球帽和主體的液側(cè)傳質(zhì)系數(shù);acap和abody分別代表氣泡球帽和主體的比表面積;D 表示氣相在液相中的擴(kuò)散系數(shù);dH表示通道的水力直徑。

基于流動(dòng)狀態(tài)的模型是對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)預(yù)測(cè)的初步探索。通過對(duì)微通道內(nèi)氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)的觀察,可以對(duì)應(yīng)地預(yù)測(cè)其體積傳質(zhì)系數(shù),但這也表示此類預(yù)測(cè)模型的普適性較差。

Jepsen[39]認(rèn)為微通道內(nèi)的氣液兩相流壓力降是氣液兩相流在通道內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)的具體體現(xiàn)。因此可以將壓力降作為衡量流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的指標(biāo),并將其作為預(yù)測(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)的主要參數(shù)。

式(3)中:ΔP 表示微通道內(nèi)的氣液兩相流壓力降;L 表示微通道的總長(zhǎng)度;uG和uL分別表示氣相和液相的表觀流速。

隨后,Yue 等[34]對(duì)其進(jìn)行了修正,將壓力降作為預(yù)測(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)的唯一參數(shù),研究了氣液兩相流的壓力降與體積傳質(zhì)系數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,并建立了能量耗散模型。

相較于基于流動(dòng)狀態(tài)的預(yù)測(cè)模型,能量耗散模型更加簡(jiǎn)練,其預(yù)測(cè)所需的數(shù)據(jù)也更容易獲取。但能量耗散模型對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)的預(yù)測(cè)仍不夠準(zhǔn)確。

Yue 等[22]認(rèn)為,不同操作條件會(huì)改變微通道內(nèi)的慣性力和黏性力,進(jìn)而對(duì)微通道內(nèi)的氣液兩相流流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。他們指出,采用無量綱準(zhǔn)數(shù)可以準(zhǔn)確地描述微通道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)狀態(tài),進(jìn)而對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地預(yù)測(cè):

式(5)中:Sh 為舍伍德數(shù),是反映包含有待定傳質(zhì)系數(shù)的無因次數(shù)群;Re 是雷諾數(shù),用來表征流體的流動(dòng)情況;Sc 為施密特?cái)?shù),可以用來描述同時(shí)有動(dòng)量擴(kuò)散及質(zhì)量擴(kuò)散的流體,與流體動(dòng)力學(xué)層和質(zhì)量傳遞邊界層的相對(duì)厚度有關(guān);下標(biāo)L 和G 分別代表液相和氣相。

而Ji 等[40]在研究中發(fā)現(xiàn),除慣性力和黏性力之外,表面張力也對(duì)微通道內(nèi)的傳質(zhì)有著顯著的影響。他們?cè)跓o量綱準(zhǔn)數(shù)預(yù)測(cè)模型中引入毛細(xì)數(shù)Ca 來表示表面張力的作用,對(duì)體積傳質(zhì)系數(shù)進(jìn)行了關(guān)聯(lián):

此后,大量的學(xué)者對(duì)不同操作條件下的無量綱準(zhǔn)數(shù)模型進(jìn)行了修正。Niu 等[41]針對(duì)圓形截面微通道提出了一個(gè)相似的無量綱準(zhǔn)數(shù)預(yù)測(cè)模型。Yao等[29]則利用無量綱準(zhǔn)數(shù)模型對(duì)微通道內(nèi)非水溶液吸收CO2的過程進(jìn)行了研究。研究結(jié)果均表明,此類預(yù)測(cè)模型具有較好的預(yù)測(cè)性能。

但是,目前對(duì)于微通道內(nèi)伴有化學(xué)吸收的氣液兩相流的研究還不充分,對(duì)不同微通道及不同氣液兩相流體系下的化學(xué)增強(qiáng)因子的研究還有待繼續(xù)開展。

2 微通道的應(yīng)用現(xiàn)狀

由于微通道具有傳遞效率高和安全性能好的優(yōu)勢(shì),并且可以將間歇工藝改進(jìn)為連續(xù)工藝,研究者逐漸將微通道應(yīng)用于不同的多相流反應(yīng)中,如快速的強(qiáng)放熱反應(yīng)、快速均勻混合的反應(yīng)和涉及不穩(wěn)定中間產(chǎn)物的反應(yīng)等,均取得了令人滿意的效果。因此,科研工作者開始探索如何建立大規(guī)模的高度集成的微反應(yīng)工廠。由于微通道處理量小,可以通過將微通道反應(yīng)器進(jìn)行并聯(lián)的方式來增大微通道反應(yīng)器的處理量[42]。

Adamo 等[43]介紹了一種即插即用的可重構(gòu)藥物合成系統(tǒng),此系統(tǒng)具有高效、靈活的特點(diǎn),其體積(1.0 m×0.7 m×1.8 m)僅與冰箱相當(dāng)。在這個(gè)冰箱大小的系統(tǒng)中,可以對(duì)藥物進(jìn)行連續(xù)合成,并大大減少反應(yīng)時(shí)間。這種靈活的即插即用方法的基礎(chǔ)是微通道設(shè)備、連續(xù)流合成和并行放大。在此基礎(chǔ)上,Bedard 等[44]通過硬件、軟件和分析的集成,解決了自動(dòng)化生產(chǎn)的問題。通過軟件可以對(duì)試劑和單元操作進(jìn)行控制選擇,并進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化,如圖4 所示。該系統(tǒng)的性能在C—C 和C—N 交聯(lián)、烯烴化、還原胺化和光氧化還原催化等過程中得到了證明。

圖4 Bedard[44]的研究中的自動(dòng)化合成系統(tǒng)Fig.4 Automated manufacturing platform in Bedard’s[44]study

清華大學(xué)將微化工技術(shù)應(yīng)用于聚合物產(chǎn)品的制備,開發(fā)出30 000 t/a 鹵化丁基橡膠合成微反應(yīng)技術(shù)與裝備,獲得了良好效果[45]。該技術(shù)對(duì)提高我國(guó)高端橡膠產(chǎn)品的產(chǎn)量具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院化學(xué)物理研究所在微反應(yīng)通道中進(jìn)行硝酸異辛酯的合成,其轉(zhuǎn)化率高于99.9%,產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于99.5%,實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)物的大規(guī)模連續(xù)生產(chǎn)[45]。

Su 等[46]采用微反應(yīng)器組件并行放大的方式來實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的光催化反應(yīng),其結(jié)果證明,采用并行放大的方法可以在保證轉(zhuǎn)化率的前提下提高處理量,其產(chǎn)率與單微通道基本相當(dāng)。該并行微反應(yīng)器如圖5 所示。

圖5 Su 等[46]的研究中使用的并行微反應(yīng)器Fig.5 Parallel microreactor in Su’s[46] study

Yasuhiro 等[47]在并行多通道微反應(yīng)器中利用臭氧的分解對(duì)有機(jī)試劑進(jìn)行氧化,其產(chǎn)率和效率都達(dá)到較高水平。分別研究了亞硝酸鹽、胺和烯烴的臭氧氧化過程,結(jié)果顯示,在不到1 s 的接觸時(shí)間內(nèi),其轉(zhuǎn)化率和選擇性均可達(dá)100%。Ahn 等[48]采用3 D 打印技術(shù)制造了并行放大的金屬微反應(yīng)器,在其中分別進(jìn)行了藥物和特殊化學(xué)品的催化反應(yīng),實(shí)現(xiàn)了高通量合成,證明該反應(yīng)器具有商業(yè)化的潛力。Kuijpers 等[49]發(fā)現(xiàn),利用并行微反應(yīng)器可以有效地提高光化學(xué)反應(yīng)的效率,并克服處理量的限制。但同時(shí),并行微反應(yīng)器內(nèi)的流體分布不均會(huì)導(dǎo)致反應(yīng)效率的下降,甚至使反應(yīng)器堵塞,這會(huì)極大地限制并行微反應(yīng)器的應(yīng)用。

可以看到,通過并聯(lián)集成的方式對(duì)微通道進(jìn)行放大,可以達(dá)到提高產(chǎn)量的效果,但其收率相較于單微通道仍會(huì)略有下降。原因在于,簡(jiǎn)單地對(duì)微通道進(jìn)行并行放大會(huì)造成流體分布不均的問題,進(jìn)而對(duì)傳質(zhì)產(chǎn)生負(fù)面影響。因此,對(duì)微通道的并行放大進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究對(duì)于微化工技術(shù)的發(fā)展具有舉足輕重的意義。

3 微通道的并行放大

在并行放大的過程中,需要解決的關(guān)鍵問題是并行微通道內(nèi)流體分布的均勻性。根據(jù)流體在微通道的入口和出口的相對(duì)位置,Chein 等[50]將并行微通道分為3 種:U 型、Z 型和I 型,如圖6 所示。其中,U 型和Z 型屬于非對(duì)稱結(jié)構(gòu),I 型屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)[50-51]。Manoj 等[51]對(duì)3 種結(jié)構(gòu)中的流體分布均勻性進(jìn)行了定量分析。U 型、Z 型和I 型微通道的流體分布不均勻因子分別約為55%、28%和15%。Xia 等[52]研究了4 種不同結(jié)構(gòu)的并行微通道內(nèi)流體分布的均勻性。結(jié)果同樣表明,I 型結(jié)構(gòu)的流體分布均勻性優(yōu)于其他構(gòu)型,但隨著雷諾數(shù)的增大,各構(gòu)型的微通道的流體分布均勻性都有所下降。可以看到,I 型結(jié)構(gòu)的流體分布均勻性最好,U 型結(jié)構(gòu)的流體分布不均勻性最大,而Z 型結(jié)構(gòu)介于2 者之間。對(duì)于Z 型結(jié)構(gòu)的并行微通道,流體從入口流向出口的每條路徑的長(zhǎng)度均相等,但由于其結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱性,每條支通道內(nèi)的壓力降并不相等。盡管I型微通道是對(duì)稱結(jié)構(gòu),但流體從入口流向出口的每條路徑的長(zhǎng)度不一定完全相同,這也會(huì)導(dǎo)致各支通道內(nèi)的壓力降出現(xiàn)差異。

圖6 Chein 等[50]概括的并行微通道的3 種典型構(gòu)型Fig.6 Three typical configuration of parallel microchannels summarized by Chein[50]

此外,Chein 等[50]利用數(shù)值模擬方法,對(duì)各構(gòu)型內(nèi)的流體分布和溫度分布進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,在并行微通道內(nèi),構(gòu)型對(duì)流體分布的影響十分顯著,I 型通道的分布均勻性明顯優(yōu)于其他構(gòu)型。同時(shí),當(dāng)進(jìn)料方向?yàn)榇怪狈较驎r(shí),通道內(nèi)的分布均勻性更好。

通過優(yōu)化Z 型和I 型微通道的結(jié)構(gòu),可以抑制2種并行微通道的流體分布不均勻性。Amador 等[53]提出一種基于電阻網(wǎng)絡(luò)的分析方法,研究了不同構(gòu)型微通道下的流體分布,并根據(jù)微通道反應(yīng)器中停留時(shí)間的分布,制定了優(yōu)化方案。他們建立的分析模型既適用于圓形微通道,也適用于矩形微通道。目前已有大量文獻(xiàn)對(duì)這2 種并行放大方式進(jìn)行了報(bào)道。

3.1 對(duì)稱并行放大

受哺乳動(dòng)物呼吸系統(tǒng)的啟發(fā),研究者們提出一種基于I 型結(jié)構(gòu)的微通道樹狀并行放大方式。樹狀并行微通道的每一級(jí)支通道都具有完全的自相似性,即流體在通道內(nèi)的不同支通道內(nèi)移動(dòng)的距離完全相等,如圖7 所示。

圖7 樹狀微通道結(jié)構(gòu)示意圖:a)二維結(jié)構(gòu)[54];b)三維結(jié)構(gòu)[55]Fig.7 Schematic diagram of tree-shaped microchannels:a)two-dimension[54];b)three-dimension[55]

Bejan 的研究證實(shí)了樹狀并行微通道內(nèi)流體分布的均勻性,并對(duì)支通道的尺寸進(jìn)行了分析和優(yōu)化[56-58]。隨后,根據(jù)Bejan 的建構(gòu)理論,Fan 等[59]設(shè)計(jì)了一個(gè)有1 個(gè)進(jìn)口、16 個(gè)出口的樹狀流體分布器。該分布器可以實(shí)現(xiàn)單相流的均勻分布,并且具有較小的壓力降和較短的停留時(shí)間。Hoang 等[60]分析了樹狀并行微通道內(nèi)流體分布不均勻的原因,確定了導(dǎo)致不均勻的3 個(gè)主要來源:氣泡尺寸的不均勻、氣泡的非對(duì)稱破裂,以及由于制造不準(zhǔn)確造成的誤差?；谝陨显?他們提出,在T 型分岔口周圍加入旁路通道可以降低流體分布的不均勻性。而Tondeur 和Luo[55]則將樹狀并行微通道由二維結(jié)構(gòu)拓展為三維結(jié)構(gòu),三維結(jié)構(gòu)的樹狀并行微通道具有更均勻的流體分布,但隨著支通道的逐漸增多,其流體分布的均勻性有所下降。因此,樹狀并行多通道的流體分布性能仍有待改善。

相較于單相流,氣液兩相流在樹狀并行微通道內(nèi)的流動(dòng)行為更加復(fù)雜。Kwak 等[54]研究了樹狀并行微通道的各支通道內(nèi)的氣液兩相流流型,并建立了流型轉(zhuǎn)換的預(yù)測(cè)模型。他們得到的流型與Chung等[61]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合,各支通道內(nèi)得到的流型并非固定的,而是隨時(shí)間具有一定的周期變化性。Xu 等[62]對(duì)并行通道內(nèi)各支通道流型的變化做出了解釋,他們認(rèn)為,各支通道內(nèi)的流型形成是具有一定周期性的,且各支通道間的流型轉(zhuǎn)換周期并不相同,這是由于各支通道內(nèi)壓降的變化造成的。樹狀并行微通道內(nèi)的流型比單微通道內(nèi)更為復(fù)雜,各支通道內(nèi)出現(xiàn)的流型也不盡相同。

為了分析支通道間的相互作用,Zhang 等[63]定量描述了樹狀并行雙通道中彈狀流的均勻性。結(jié)果表明,氣液流速的增加會(huì)增大氣泡在各支通道內(nèi)的長(zhǎng)度和頻率差異,進(jìn)而破壞支通道間的平衡。通過分析雙通道間的壓力降差,研究了支通道間的相互作用。這些研究結(jié)果將有助于微通道的進(jìn)一步放大。Guo 等[64]在樹狀并行雙通道中對(duì)氣液兩相流進(jìn)行了初步探索,得到了不同于單通道的交替分配流和破裂流等流型。研究結(jié)果表明,流體分配均勻性由分岔口處的氣泡長(zhǎng)度和通道內(nèi)流體動(dòng)力學(xué)反饋共同控制。同時(shí),均勻的流體分布可以促進(jìn)傳質(zhì)性能。

Yue 等[65]對(duì)多級(jí)樹狀并行微通道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)和傳質(zhì)特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明,只有在一定操作范圍內(nèi),并行微通道反應(yīng)器才可以保持單通道的優(yōu)良傳質(zhì)性能。由于大流量條件下慣性力起主導(dǎo)作用,流動(dòng)不均勻性隨著流量的增加而不斷加劇。而在流量較低的樹狀并行微通道中,其流體分布的均勻性相對(duì)較好。這一結(jié)論在Wang等[66]的模擬研究中得到了驗(yàn)證。此外,流體的分布還受到液相黏度的影響。液相的黏度越大,流體分布越均勻。隨后,Guo 等[67]對(duì)氣液兩相流在多級(jí)樹狀并行微通道中的流體動(dòng)力學(xué)及傳質(zhì)進(jìn)行了研究。實(shí)驗(yàn)得到了緊密彈狀流這一新流型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,流體在樹狀并行微通道中的分配均勻性由T 型分岔口的Ca 和通道下游的反饋效應(yīng)控制。存在1個(gè)臨界氣液流量比使并行通道內(nèi)的分配均勻性達(dá)到最佳。

在實(shí)際應(yīng)用中,樹狀分布器的幾何結(jié)構(gòu)也會(huì)影響樹狀并行微通道內(nèi)流體的分布規(guī)律。Liu 等[68]對(duì)樹狀分布器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模擬研究,探究了樹狀分布器的分岔角度對(duì)流體分布的影響。結(jié)果表明,樹狀分布器的分岔角度對(duì)流體分布的均勻性具有較大影響,當(dāng)分岔角度為180°時(shí)(即T 型分岔口),其流體分布的均勻性最佳。這一結(jié)論與Wang 等[69]的研究一致。此外,Liu 等[70]還發(fā)現(xiàn)樹狀分布器的彎曲壁面相較于直角壁面更容易得到均勻的流體分布。而Sun 等[71]通過實(shí)驗(yàn)研究了不同支通道寬度對(duì)并行微通道內(nèi)兩相流分布行為的影響。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和可視化數(shù)據(jù),分析了氣液兩相流在T 型分岔口處的受力機(jī)理,并通過破裂因子來評(píng)價(jià)氣泡的破裂均勻性。結(jié)果表明,隨著支通道寬度的減小,流體分布的均勻性得到了很好的改善。同時(shí),支通道寬度對(duì)彈狀流的影響程度大于環(huán)狀流。Guo等[72]針對(duì)樹狀并行微通道的2 種典型結(jié)構(gòu)(半寬通道和恒寬通道)進(jìn)行了研究,如圖8 所示。結(jié)果表明,半寬通道具有更高的效能比。相比較而言,在半寬通道中,由于通道尾部反饋效應(yīng)更加明顯,其操作范圍明顯較恒寬通道更窄。同時(shí),由于不同寬深比對(duì)氣泡生成和尾部反饋效應(yīng)的綜合影響,半寬通道的流體分配均勻性隨氣液比的增大逐漸變差。

圖8 Guo 等[72]采用的2 種典型樹狀并行微通道Fig.8 Two typical tree-shaped parallel microchannels in Guo’s[72]study

對(duì)微通道進(jìn)行樹狀并行放大可以得到較為均勻的流體分布,但目前對(duì)氣液兩相流的流體動(dòng)力學(xué)仍處于探索階段。Guo 等[73]通過在線分析法建立了氣液兩相流在樹狀并行微通道內(nèi)的壓力降預(yù)測(cè)模型,這可以為更深入地理解樹狀并行微通道中的氣液兩相流動(dòng)力學(xué)奠定理論基礎(chǔ)。但對(duì)于樹狀結(jié)構(gòu),并行放大的基本原則仍未完全建立。如何實(shí)現(xiàn)不同操作條件下流體分布和能量利用的最優(yōu)化,仍是基礎(chǔ)理論研究的重點(diǎn)。

3.2 非對(duì)稱并行放大

盡管對(duì)稱并行放大已取得了較為理想的效果,但樹狀并行放大也有無法克服的缺陷,其支通道數(shù)量只能是2n條,空間排布具有一定的局限性。因此,為了使微化工技術(shù)得到更廣泛的應(yīng)用,研究微通道的非對(duì)稱并行放大十分必要。目前對(duì)非對(duì)稱并行放大的研究主要集中于基于Z 型結(jié)構(gòu)的梳狀并行微通道。

Choi 等[74]從機(jī)理上解釋了氣泡在非對(duì)稱并行微通道中的運(yùn)動(dòng)行為,為研究梳狀并行微通道提供了理論依據(jù)。他們認(rèn)為,氣泡在并行通道中流動(dòng)時(shí),會(huì)將自己分散在所有可能的支通道中,以使通道的壓力降最小。也就是說,流體的分布取決于各支通道內(nèi)的阻力。單個(gè)氣泡在分岔口處會(huì)出現(xiàn)破裂和不破裂2 種運(yùn)動(dòng)狀態(tài),并在隨后的流動(dòng)過程中根據(jù)各支通道壓力降的不同選擇流動(dòng)路徑。氣泡群的流動(dòng)狀態(tài)就構(gòu)成了非對(duì)稱并行通道的流體分布規(guī)律。

Pistoresi 等[75]通過數(shù)值模擬的方法對(duì)多級(jí)梳狀并行微通道進(jìn)行了研究,分析了梳狀結(jié)構(gòu)對(duì)流體分布的影響。結(jié)果表明,在極低的流體流量下,微通道可以達(dá)到相對(duì)均勻的流體分布。但在大流量下,隨著支通道數(shù)量的增多,流體分布的均勻性逐漸變差。隨后,Commenge 等[76]提出可以采用斜Z 型結(jié)構(gòu)來優(yōu)化梳狀并行微通道的流體分配性能,其結(jié)構(gòu)如圖9 所示。結(jié)果表明,傾斜的角度可以調(diào)節(jié)各支通道的阻力,從而使并行微通道在較大的流量下仍能保持均勻的流體分布。但在高流量下,大部分流體將被推入通道的下游,從而導(dǎo)致了流體分布的不均勻性。為解決這一問題,Delsman 等[77]提出了一種優(yōu)化的斜Z 型結(jié)構(gòu),將其拐角由直角改為圓角,從而降低系統(tǒng)的壓力降,在高流量下也可以得到較為均勻的流體分布。同時(shí),增大入口和出口的寬度可進(jìn)一步降低大流量時(shí)的壓力降,進(jìn)而改善流體分布的均勻性。

圖9 Commenge 等[76]提出的斜Z 型結(jié)構(gòu)Fig.9 Slant Z-type configuration proposed by Commenge[76]

一般來說,梳狀并行微通道內(nèi)的流體分布很大程度上取決于封頭。通過合理優(yōu)化封頭的形狀和尺寸,可以大大降低流體分布的不均勻性,進(jìn)而提高傳質(zhì)性能。

Anbumeenakshi 等[78]對(duì)不同流量下封頭形狀對(duì)流動(dòng)不均勻性的影響進(jìn)行了探究。研究發(fā)現(xiàn),梯形和三角形封頭的并行微通道在小流量時(shí)流體分布更均勻,而矩形封頭的并行微通道在大流量時(shí)流體分布更均勻。隨后,Zoljalali 等[79]發(fā)現(xiàn)封頭的曲率對(duì)流體分布也具有較大的影響。研究表明,由于曲線結(jié)構(gòu)比直線結(jié)構(gòu)具有更低的壓力降,因此彎曲壁面相較于直角壁面更容易得到均勻的流體分布。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步得出了凹曲線結(jié)構(gòu)比凸曲線結(jié)構(gòu)的流體分布更均勻這一結(jié)論。而 Kumaran等[80-81]的研究表明,流體分布的不均勻性隨封頭寬度的增大而減小。在三角封頭中,當(dāng)封頭的寬度為48.5 mm 時(shí),其流體分布的均勻性遠(yuǎn)不如封頭寬度為55.5 mm 時(shí)。

除封頭之外,支通道的間距也對(duì)梳狀并行微通道內(nèi)的流體分布具有一定的影響。Liu 和Wang[82]采用高速攝像儀對(duì)梳狀并行微通道中的流體動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了觀察。研究發(fā)現(xiàn),梳狀并行微通道內(nèi)的流體分布特性受到支通道間距的影響。在低流量下,增大支通道間距不利于流體的均勻分布,而在高流量,增大支通道間距有利于流體的均勻分布。

此外,操作條件也會(huì)對(duì)并行微通道內(nèi)的流體分布產(chǎn)生巨大影響。Liu 等[83]通過實(shí)驗(yàn)研究了進(jìn)料方向?qū)Σ⑿形⑼ǖ纼?nèi)兩相流分布的影響,并觀察到了3 種流動(dòng)狀態(tài)。結(jié)果表明,對(duì)于彈狀流,垂直向下的進(jìn)料方向可以實(shí)現(xiàn)流體的均勻分布。而對(duì)于環(huán)狀流,垂直向上的進(jìn)料方向可以改善流體分布的均勻性。Liu 等[84]的研究表明,梳狀并行微通道內(nèi)兩相流的分布均勻性與入口處的氣泡長(zhǎng)度和速度有很大的關(guān)系,并且上游通道會(huì)對(duì)下游通道的流體分布產(chǎn)生影響。在高流速、短氣泡的情況下,支通道可實(shí)現(xiàn)均勻的流體分布。而Al-Rawashdeh 等[85]發(fā)現(xiàn),并行通道內(nèi)的流體分布均勻性還與進(jìn)料壓力有關(guān)。他們?cè)趦上嗫涨慌c多通道之間建立了增壓通道,如圖10 所示。這種設(shè)計(jì)保證了流體的均勻性,有效避免了竄流現(xiàn)象。

圖10 Al-Rawashdeh 等[85]設(shè)計(jì)的基于障礙的并行增壓通道Fig.10 The barrier-based parallel microchannels designed by Al-Rawashdeh[85]

通過對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化并選擇合適的操作條件,可以有效地提高流體在非對(duì)稱并行微通道內(nèi)的分布均勻性[86],進(jìn)而可以提高反應(yīng)的選擇性并降低通道的整體壓力降[87]。在實(shí)際應(yīng)用中,非對(duì)稱并行微通道的空間排布更為靈活,但其流體分布均勻性仍劣于對(duì)稱并行微通道。

4 結(jié)語

綜上所述,微化工技術(shù)具有高效、靈活、安全的優(yōu)點(diǎn),是一項(xiàng)極具應(yīng)用前景的過程強(qiáng)化技術(shù)。近年來,微通道內(nèi)的氣液兩相流及微通道的并行放大得到了廣泛的研究,相關(guān)的研究成果既豐富了微化學(xué)工程學(xué)科的基礎(chǔ)理論,又為微化工技術(shù)在氣-液兩相體系中的大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

微化工技術(shù)是21 世紀(jì)化學(xué)工程領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù),未來將會(huì)有大量的工業(yè)應(yīng)用和示范運(yùn)行。但目前,仍有許多研究亟待開展。

1)氣液兩相流在微通道內(nèi)的流動(dòng)以二維圖像居多,缺乏三維流動(dòng)信息。隨著表征手段和計(jì)算模擬的發(fā)展,應(yīng)獲取通道內(nèi)的三維流動(dòng)信息,以便更加客觀地分析通道內(nèi)氣液兩相流的流動(dòng)與傳質(zhì)。

2)在矩形微通道中,角區(qū)的泄漏流和液膜對(duì)氣液兩相流的流動(dòng)和傳質(zhì)具有重要影響,但其過程機(jī)理還缺乏深入地研究。同時(shí),對(duì)液彈內(nèi)循環(huán)對(duì)傳質(zhì)的作用規(guī)律尚不充分了解,對(duì)傳質(zhì)過程的認(rèn)識(shí)仍有待提高。

3)微通道并行放大的過程中存在多尺度結(jié)構(gòu),應(yīng)著重解決由并行放大引入的宏觀尺度和微尺度間的相互作用機(jī)制,優(yōu)化流體在并行通道中的分布均勻性及整體傳質(zhì)性能。

4)目前對(duì)微通道的并行放大還處于初步探索階段,應(yīng)基于高度集成化和壓降最小化的約束條件,對(duì)并行微通道反應(yīng)器進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化,建立較為普適的并行放大準(zhǔn)則,為微化工技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用奠定理論基礎(chǔ)。

5)目前在實(shí)驗(yàn)室中所用的微通道反應(yīng)器造價(jià)昂貴,盡管其已表現(xiàn)出令人滿意的性能,但并行放大帶來的設(shè)備成本成為了其推廣應(yīng)用的一大障礙。因此,應(yīng)研發(fā)高效、廉價(jià)的加工技術(shù),降低微化工設(shè)備的應(yīng)用成本。