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结构微通道内液-液两相萃取混合特性的大涡模拟.pdf
第四届全国化学工程与生物化工年会 · 杭州 · 2007 A001 A001 结构微通道内液-液两相萃取混合特性的大涡模拟 刘秉言,王保国,张金利* (天津大学化工学院,天津 300072 ) 由于微加工技术的不断进步,微型装置的应用变得越来越广泛了。与传统的宏观装置相 比,微型装置有许多独特的优点,比如大的体积比表面积、高的传质传热速率和短暂的反应 时间等。尤其是一些用于化学分析的微型装置,其可控性强、样品用量少、灵敏度高、分析 速度快以及集成化和便携化等优点,揭开了化学分析的新篇章。基于微流控芯片的萃取技术 是一种新型的萃取方法,除具有微型装置的共同特点之外,微流控萃取还能使互不相溶的两 相保持平稳连续的层流状态,两相间保持连续的接触,微通道内高的传质速率大大提高了萃 取效率。为了进一步缩短微萃取器的长度,我们在微通道壁面增加了浮雕结构来进一步提高 两相的混合,从而提高萃取效率。 模拟所用通道为 200μm×200μm 的矩形通道,全长 8mm,在通道的上下壁面对称添加了 相同的浮雕,萃取相和萃余相并流流动。采用流体的横向速度和旋转角速度来表征两相的混 合,考察了不同高度、宽度、倾斜角度和间距的浮雕对流动的影响。采用边长 20μm 的四面 体网格划分计算域,标准的 Smagorinsky-Lilly 亚网格模型,速度入口和常压出口,采用 FLUENT 软件进行计算。 计算结果表明,在通道壁面添加浮雕结构可以显著增强两相之间的混合,有效增大液- 液两相的接触面积,从而提高萃取效率。正交分析表明,浮雕结构的高度是影响混合的主要 因素。随浮雕高度的增加,流体的横向速度和旋转角速度都增大,但同时通道内的压降也随 之增大;在浮雕结构上游出现一高压中心,而在其下游又出现一低压区,因此在浮雕结构附 近有很大的压力梯度。其次的影响因素是浮雕结构的宽度。在浮雕结构处流体被压缩,产生 加速度,浮雕的宽度影响的是流体加速持续的时间,宽度越大,加速时间越长,横向速度就 越大;与高度相同,宽度越大通道内的压降也越大。倾斜的角度和浮雕之间的距离对混合的 影响较小,但其产生影响的方式却有差异:间距对横向速度的影响程度要大于倾斜角度对横 向速度的影响程度;而倾斜角度对旋转角速度的影响程度却大于间距对旋转角速度的影响程 度。而且,在浮雕结构的下游没有发现循环区域,这是因为在浮雕结构区域内有显著的横向 速度,不会在浮雕下游形成死区。 * 通讯作者:张金利,电话:022E-mail :zhangjinli@ 。 1 第四届全国化学工程与生物化工年会 · 杭州 · 2007 A002 A002 微通道内气-液传质特性的研究 孟昊,李韡,王保国,张金利* (天津大学化工学院,天津 300072 ) 微化工技术是顺应可持续发展与高新技术发展的需要而兴起的多学科交叉的科技前沿 领域,它作为化工过程强化的一种新技术,将在化学、化工、能源、环境、生物、医学等领 域得到广泛应用。气-液传质过程是化工领域常见的操作单元,但其传质状况往往又成为速 率控制步骤。特征尺度为微米或纳米级的微通道,其相界面面积远大于常规尺度气-液接触 设备,极大地强化了传质过程,因而在气体吸收/脱附、直接氟化、加氢等气-液反应过程有 着良好的应用前景。 本文通过对直径为 400μm 单微通道进行 Na SO 水溶液吸收氧气过程的实验考察,系统 2 3 研究了表观气速 (1.525m/s~6.738m/s) 、表观液速 (0.265~2.891m/s) 、液相表面张力 (53.680mN/m、42.035mN/m 和 32.011mN/m)和液相粘度(1.0mPa·s、2.6mPa·s 和 5.0mPa·s ) 对微通道内气-液
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