微通道内的气液两相流动与传质研究

微反应器小尺寸产生的优势日益受到人们的重视,其过程强化、反应安全、数量放大等特点引领反应器设计向着一个新的方向发展。本论文通过实验及数值模拟,建立起描述微通道内气液两相的流动及传质的模型,旨在为微反应器的设计和优化提供理论基础。 实验部分是在自行设计的水力学直径分别为300μm、500μm的玻璃毛细管微通道和水力学直径为90μm的矩形金属微通道中进行的,以水-CO2为两相流体系,考察了不同管径的微通道所表现出的气液两相流动、压降以及传质特性。为研究泡状流、子弹流以及子弹-环状流三种流型提供了流型图,并用气液两相的雷诺准数关联出子弹流中,气泡和液柱长度受到管径、气液表观流速的影响规律。同时还发现,常规设备中得到的压降模型不再适用于微通道;微通道内的气液两相传质效果比常规气液接触器高出2-3个数量级,水力学直径减小可以很大程度上强化传质过程,但是由于微通道内流体体积较小,容易达到饱和,因此有一部分气液比表面积起不到传质的作用。 模拟部分采用了计算流体力学方法,对构造出的不同结构的微通道,模拟了其内气液两相分布及气泡形成过程。模拟结果发现微通道的横截面形状、水力学直径、气液两相入口之间的夹角等对气泡和液柱的长度都有影响;通过改变以上条件,得到可以预测不同结构微通道内气液分布的关联式,为单条微通道内的两相作用以及多条并列微通道的设计提供了必要的依据;并获得了关于表面张力和两相入口压力对气泡形成的作用,微通道的横截面形状对气相前沿塌陷的影响等重要发现。相比气泡不受空间限制时的生长过程,微通道内气相前沿塌陷速度小了1-2个数量级,使得微通道内气液分布更加均匀。