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氣液反應(yīng)廣泛存在于化學(xué)工業(yè)中，強(qiáng)化氣液反應(yīng)的核心在于高效的相分散，即提供微細(xì)、均一和可控的氣泡。

微尺度下氣泡的傳遞過程基礎(chǔ)與應(yīng)用的發(fā)展將會(huì)極大地促進(jìn)微化工技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)升級改造提供源動(dòng)力。

氣/液傳質(zhì)系數(shù)在線測定方法

常用于氣 / 液傳質(zhì)研究的微通道結(jié)構(gòu)如圖 1 所示，包括毛細(xì)管嵌入式并流通道（co-fl owing）、T 形通道（T-junction）、十字形通道等。通常微通道通過在有機(jī)玻璃（PMMA）板上進(jìn)行精密機(jī)械加工制成，再與另一塊 PMMA 板由熱壓機(jī)封裝。毛細(xì)管嵌入主通道內(nèi)的作用是提供分散相流動(dòng)通道，避免在分散形成前兩相的大面積接觸。

為了深入研究微通道內(nèi)傳質(zhì)性能，清華大學(xué)化學(xué)工程系曾發(fā)展了一種基于氣泡體積隨時(shí)間的變化在線測定氣泡生成階段和運(yùn)動(dòng)階段傳質(zhì)系數(shù)的方法。

使用化學(xué)吸收法研究 氣 / 液傳質(zhì)過程，實(shí)驗(yàn)中液相使用單乙醇胺（MEA）和乙二醇（EG）的混合溶液， MEA 為常見的二氧化碳吸收劑，EG 是常見的有機(jī)溶劑，為化學(xué)反應(yīng)提供溶劑環(huán)境。氣相為CO₂-N₂ 混合氣體，用于實(shí)驗(yàn)中考察物質(zhì)濃度對傳質(zhì)性能的影響。為保證方法的適用性，需符合以下的簡化假設(shè)及前提條件：

（1）實(shí)驗(yàn)中使用的氣相，CO₂-N₂ 混合氣體可視為理想氣體，滿足理想氣體狀態(tài)方程；

（2）混合氣體中的 N₂ 作為惰性組分不參與反應(yīng)，忽略其在溶液中的溶解，同時(shí)也忽略溶液向氣相的揮發(fā)；

（3）當(dāng) CO₂ 被液相吸收后，認(rèn)為由此產(chǎn)生的液相物理性質(zhì)的改變不大；

（4）CO₂ 與 MEA 之間的化學(xué)反應(yīng)屬于快速反應(yīng)，反應(yīng)主要發(fā)生在靠近相界面的液膜內(nèi)，液體主體相中 CO₂ 濃度基本等于 0，同時(shí)忽略 CO₂ 與 MEA 逆反應(yīng)的發(fā)生，即不考慮該操作溫度下 CO₂ 的解吸；

（5）氣泡在通道內(nèi)的流動(dòng)過程中，氣泡中的壓力沒有明顯變化，可認(rèn)為壓力值為常數(shù)。

MEA 是一種常見的一級胺，與CO₂  反應(yīng)時(shí)第一步先生成一種兩性離子型的中間產(chǎn)物，此步為可逆反應(yīng)：

接著中間產(chǎn)物與溶劑基底迅速發(fā)生去質(zhì)子化反應(yīng)，生成氨基甲酸酯類物質(zhì) [1]。對于非水型有機(jī)溶劑，一般認(rèn)為只有胺類作為去質(zhì)子化基底：

根據(jù)以上的反應(yīng)機(jī)理，對中間產(chǎn)物濃度進(jìn)行擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)，可得到總反應(yīng)速率方程：

在實(shí)驗(yàn)中，CO₂ 吸收過程在較高的 MEA 濃度下進(jìn)行，認(rèn)為 MEA 濃度基本不變，從而整個(gè)反應(yīng)過程對于 CO₂ 為擬一級反應(yīng)，反應(yīng)速率可表示如下：

式中，k_l0 為 CO₂ 被溶劑物理吸收時(shí)的液相膜傳質(zhì)系數(shù)。經(jīng)過計(jì)算 Ha 數(shù)的值大于 3[2]，因此 CO₂ 與 MEA 的反應(yīng)可認(rèn)為是快速反應(yīng)，并且主要發(fā)生在靠近相界面的 液膜內(nèi) [3]，而溶液主體相中 CO₂ 濃度為 0。根據(jù)研究者 Yue 等 [4] 提出的均相流模型，兩相壓降可由下式計(jì)算：

式中，d_h 和 G 分別為微通道的水力直徑和流體的質(zhì)量流速。經(jīng)過計(jì)算，整個(gè)通道內(nèi)的壓降小于 4kPa，與通道出口的壓力 1atm 相比可以忽略。與此同時(shí)也進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，對于無傳質(zhì)的純 N₂ 分散過程，在實(shí)驗(yàn)條件下分別考察處于通道初始位置、中間位置以及出口處的氣泡體積，結(jié)果發(fā)現(xiàn)體積的相對變化 小于 3%。同樣證明了氣泡在通道內(nèi)的流動(dòng)過程中內(nèi)部壓力變化不大，前提條件（5）得到滿足。

在以上簡化假設(shè)和前提條件成立的基礎(chǔ)之上，提出了氣泡在微通道內(nèi)形成和運(yùn)動(dòng)過程中傳質(zhì)系數(shù)的計(jì)算方法。其中對于氣泡運(yùn)動(dòng)階段，指的是氣泡從毛細(xì)管尖端脫落后在下游通道內(nèi)的流動(dòng)階段，典型圖片如圖2 所示。

至此，記錄下傳質(zhì)過程中氣泡的尺寸隨時(shí)間的變化，如圖 3 所示，即可計(jì)算得到氣泡在運(yùn)動(dòng)階段的液相總傳質(zhì)系數(shù) KL。

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