微通道内离子液体和氮气流动过程的研究

  • 王婷婷
  • 日期:2022-04-07
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        二十世纪九十年代初,基于传统化工能耗量大,安全隐患多的情况,“微化工技术”得以提出并在学术界引起广泛关注,迅速成为了化学工程学科的重要发展方向之一,而微通道反应器则是研究微化工技术的核心。它一般由精密技术加工而成,特征尺寸控制在几十微米到几百微米之间,更注重于高效生产,精准控制,快速反应,操作安全和便于搬运。

        在微通道中,根据不同的进样流速,气体和液体受到惯性力、黏性力和表面张力共同作用,通常表现出以下几种流型:泡状流、泰勒流、搅拌流、环状流和中间的过渡流,其中最受到广泛关注的是泰勒流。对微通道内离子液体和氮气的流体动力学特性进行研究,包括气含率、气泡速度、气泡长度、液栓长度和液栓内部流场,建立了一些经验关联式,为进一步研究气-离子液体传质体系奠定了良好的基础。相关工作发表于INDUSTRIAL & ENGINEERING CHEMISTRY RESEARCH(DOI: 10.1021/acs.iecr.1c03439)

图1  微通道内N2-[Bmim][NO3]的两相流型

        实验中观察到的所有流型均为泰勒流型。当液相流量不变时,随着气相流量的增大,气泡长度增大,液栓长度减小,气泡体积增大,单位时间内生成的气泡个数变多,导致气含率增大,通过关联气液两相的进样速度得到气泡长度、液栓长度和气含率的关系式,偏差在 10%以内。发现气泡速度会随着气液流量和液体粘度的增大而增大,且与气液表观速度之和呈正相关线性关系,基于实验数据拟合得到了气泡速度与气液流量的关系式,偏差在 10%以内。对液栓内部流场进行分析,液栓中心位置处的速度最大,约为气液表观速度之和的 1.8倍,沿径向方向流动速度向两侧延伸逐渐减小为零,沿轴向方向流动速度向两侧延伸逐渐减小为气泡速度。最后通过[Bmim][BF4], [Omim][BF4], Ar 和 He 做对照实验并对气泡长度进行了验证分析,证明上述关系式具有一定的普适性。

图2  两泰勒气泡间液栓内部流场

        中国科学院化学科学院硕士生王婷婷为第一作者,该工作得到了国家重点研发计划项目和国家自然科学基金群体项目的支持。