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具有枝形结构的微流体设备中的混合与流动

作　者: 侯璟鑫
导　师: 周兴贵
学　校: 华东理工大学
专　业: 过程系统工程
关键词: 微混合器微通道传质流型气液两相流 CFD模拟
分类号: TQ021
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

微流体技术因为具有卓越的传质、传热及安全性能,连续化操作和可实现流体精确调控等特性,成为过程强化的一个重要手段,也是近年来化学工程学科的主要研究内容之一。微流体设备因其固有的一些优良特性,非常适合于进行一些强放热、涉及强腐蚀和剧毒介质的反应。但是,目前微流体设备的处理量通常较小,而且制造成本较高。以数增的方式实现过程放大的概念虽然简单,但实际过程中会出现诸如流体分布不均、阻力降大、反应过程难以控制等问题。因此,微流体技术离实际工业应用还有一定距离。互溶液液体系和液液或气液两相体系在化工生产过程中比较常见。本文探究一种具有枝形结构的微流体设备中的互溶液液体系和气液两相体系混合与流动,重点研究其中的气液两相流及其传质规律,并对微反应器局部的流动特性进行研究。这些研究一方面有助于认识微流体设备中的气液两相流规律,另一方面可为微混合器与分布器的优化设计提供依据。本文首先研究了一种带有枝形结构的新型高通量枝形微混合器的气液传质性能。通过CO2在碱溶液中的吸收实验,测定了微混合器的体积传质系数、比界面面积、液侧传质系数以及压降,并研究了不同混合方式(撞击流和射流混合)以及微反应器配置(结构及气、液入口位置)的影响。结果表明,在气体流量足够高时,若气、液两相以相反的方向撞击混合、且使用具有枝形结构的混合腔,传质性能最好。在气体流量较低时,若气体从具有枝形结构的中部板进入混合器、与液体错流接触后再通过小孔进入带有枝形结构的侧板,传质性能最好,但压降相对较高。如果同时考虑传质效果和压降,则前者最优。要进一步改进枝形微混合器的传质性能,就要从对其核心结构——枝形结构的流体均布及混合性能进行研究着手。流体均布特性方面,采用计算流体力学(CFD)模拟的方法对两种枝形结构的气、液分布效果分别进行模拟。一种是枝形微混合器使用的原始结构,另一种是在原始结构基础上将流动转向处以及出口处做平滑处理获得新型枝形结构。结果显示,两种结构的气体分布性能均好于液体均布性能。平滑枝形结构其流体均布性能更好但压降也相对较高。通过对枝形结构各部位压降的构成进行分析发现,两种枝形结构的主要压降来自于进、出口处,后者出口处的渐缩结构形成了相对较高的阻力损失,因此,平滑枝形结构的总压降反而较高。混合特性方面,对枝形微混合器接触区的均相及多相混合进行了CFD模拟研究。首先,分别模拟了原始接触区、平滑接触区及缩小侧向通道的平滑接触区三种结构内的液液均相混合。对各接触区结构的撞击与错流混合性能分别进行了考察。通过计算了各接触区结构的出口截面混合效果指数a对混合性能进行量化。研究结果表明,撞击混合的原始接触区的混合效果最好。错流混合时,当混合通道雷诺准数ReM时,原型结构在低混合效果较好,而当ReM较大时,缩小侧向通道的平滑接触区混合效果较好。此外,撞击混合的压降普遍低于错流混合,而平滑处理有效的降低了阻力损失。然后,采用流体体积法(VOF法)模拟了均相混合效果较好的两种接触区结构内的气液两相撞击混合,并通过定量计算各接触区内的界面面积对其气液传质性能进行了比较。结果显示,气体表观流速度界面面积几乎没有影响,而液体表观流速的增大能够显著提高界面面积。当液体表观流速较低时,原始接触区的界面面积较大,反之缩小侧向通道的平滑接触区具有更大的界面面积。在低液体表观流速较低时,前者的压降低于后者,而当液体表观流速较高时,后者的压降则相对较低。若同时考虑界面面积和压降,在低液体表观流速时,原始接触区的传质效率较高：而在液体表观流速较高时,缩小侧向通道的平滑接触区的传质效率较高。对于气液两相流的分散研究从研究单个微通道内气液两相流的影响因素入手。采用VOF法在较广的气、液表观流速比和流体物性的范围内,对错流微通道的气体入口角度、截面宽高比、截面形状、通道直径等几何参数对两相流气泡长度的影响进行了系统研究。研究发现,气液表观流速比、界面张力、液相粘度、气体入口角度、截面宽高比以及截面形状对微通道内的气泡长度有显著影响,而液体密度和通道直径的影响则可以忽略。在大多数条件下,气体入口角度为60°的微通道内气泡长度最短。通过分析各因素与气泡长度的关系,建立关联式预测具有不同几何参数的错流剪切微通道内不同操作条件下的气泡长度,预测结果与CFD模拟结果彼此吻合较好。在对单根微通道内气液两相流具有较深入认识的基础上,采用可视化方法对基于构造理论设计的带有枝形分布结构的新型平行多通道微接触器内气液两相流的分散进行研究。在研究考察的大多数气、液流量下,该接触器内能够获得较为理想的两相流分散,气液流动分布不均主要发生在气、液入口流量比较大时。随着气体流量的增加,气泡长度变长,且两相分散的均匀性降低：而随着液体流量的增加,气泡长度变短,且两相分散均匀性提高。研究还发现,各通道气泡长度与接触器平均气泡长度的相对偏差随气体流量的升高而增大,随液体流量的升高而减小。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第1章绪论  13-16
  1.1 课题背景及意义  13-14
  1.2 研究内容  14-16
第2章文献综述  16-30
  2.1 微流体设备/微混合器概况  16-17
  2.2 微通道/微流体设备内两相流  17-27
    2.2.1 两相流流型  18-23
    2.2.2 两相流的传质  23-24
    2.2.3 两相流的应用  24-27
  2.3 微通道内两相流数值模拟研究现状  27-30
    2.3.1 气液两相流  28-29
    2.3.2 液液两相流  29-30
第3章枝形微混合器内的气液混合性能  30-45
  3.1 引言  30-31
    3.1.1 枝形微混合器  30-31
  3.2 实验部分  31-35
    3.2.1 实验装置  31-33
    3.2.2 压降的测量  33
    3.2.3 体积传质系数的测定  33-34
    3.2.4 界面比表面积的测定  34-35
    3.2.5 液侧传质系数的测定  35
  3.3 结果与讨论  35-43
    3.3.1 枝形微混合器的体积传质系数  35-37
    3.3.2 枝形微混合器的压降  37
    3.3.3 枝形微混合器的界面比表面积及液侧传质系数  37-40
    3.3.4 实验方法验证  40-41
    3.3.5 枝形微混合器气液传质效果比较  41-43
  3.4 结论  43
  符号说明  43-45
第4章枝形微混合器流体均布结构的优化  45-58
  4.1 引言  45
  4.2 数值方法  45-47
  4.3 结果与讨论  47-56
    4.3.1 表征流体分布均匀性的参数  47
    4.3.2 枝形结构的气体均布性能  47-50
    4.3.3 枝形结构的液体均布性能  50-53
    4.3.4 枝形结构的压降  53-56
  4.4 结论  56
  符号说明  56-58
第5章枝形微混合器接触区液液均相混合过程分析  58-70
  5.1 引言  58
  5.2 数值方法  58-61
    5.2.1 枝形微混合器接触区  58-60
    5.2.2 计算模型  60-61
  5.3 结果与讨论  61-68
    5.3.1 混合效果评价方法  61-62
    5.3.2 接触区的撞击混合  62-64
    5.3.3 接触区的错流混合  64-67
    5.3.4 接触区的压降  67-68
  5.4 结论  68-69
  符号说明  69-70
第6章枝形微混合器接触区气液两相混合过程分析  70-81
  6.1 引言  70
  6.2 数值方法  70-72
    6.2.1 控制方程组  70-71
    6.2.2 数值求解方法  71
    6.2.3 计算模型的建立  71-72
  6.3 结果与讨论  72-78
    6.3.1 接触区压降  72-73
    6.3.2 接触区的气液两相混合  73-76
    6.3.3 接触区界面面积  76-78
  6.4 结论  78-79
  符号说明  79-81
第7章微通道内气液两相流行为的数值模拟  81-107
  7.1 引言  81-82
  7.2 数值方法  82-86
    7.2.1 控制方程组  82-83
    7.2.2 离散格式选取  83-84
    7.2.3 数值模型  84-86
  7.3 结果与讨论  86-103
    7.3.1 气体入口角度的影响  86-88
    7.3.2 微通道截面宽高比的影响  88-90
    7.3.3 微通道等效直径的影响  90-91
    7.3.4 微通道截面形状的影响  91-94
    7.3.5 气、液表观流速比的影响  94-98
    7.3.6 流体物性的影响  98-99
    7.3.7 微通道内气泡长度的预测  99-103
  7.4 结论  103-104
  符号说明  104-107
第8章平行微通道内的气液两相流均布特征  107-120
  8.1 引言  107-108
  8.2 实验部分  108-111
    8.2.1 带有枝形分布结构的平行微通道接触器  108-110
    8.2.2 实验装置  110
    8.2.3 实验方法  110-111
  8.3 结果与讨论  111-118
  8.4 结论  118-119
  符号说明  119-120
第9章全文总结及展望  120-123
  9.1 全文总结  120-121
  9.2 研究展望  121-123
参考文献  123-141
致谢  141-142
附录  142

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