微通道内液-液两相流研究进展

唐 静，张旭斌，蔡旺锋，陈 丹，王富民

（天津大学化工学院，天津 300072）

微化工技术作为化工过程强化的一种新技术，因其具有体积小、低能耗、高效率、安全性好等优点[1-2]，逐渐应用在化工、能源、环境、材料、医药等领域。由于微尺度效应，使得微化工系统中的流动、传递规律以及反应特性较传统化工系统发生了变化，国内外许多科研工作者对微化工技术进行了研究，尤其对微化工系统中的单相流和多相流行为进行了较深入的研究[3]。

由于液-液两相流的复杂性和微化工尺度效应，采用常规尺度理论不能预测微化工系统中的流型转变和传质过程。众多研究结果表明，微通道中液-液两相间的传递性能因微通道特征尺度的微细化而相比常规系统有较大提高[4]，而化工过程又是流体流动、传递和反应的相互耦合的过程，耦合过程决定了整体效率，因此为强化液-液两相间的混合、传递过程，以及提高反应性能，需对微通道中液-液两相流型、传递过程现象和机理进行深入的研究和发展。本文作者将以液-液两相体系为对象，系统介绍近年来微通道中液-液两相流体流动、传质行为以及应用的最新进展。

1 微通道内液-液两相流型及流型图谱

1.1 微通道内液-液两相流型

在微通道内液-液两相流研究中，常见的流型有液滴流、弹状流、平行流和环形流等。Zhao等[7]以煤油-水为研究体系，对微通道内油水两相流型进行了实验研究。在T 形交叉点处观察到了弹状流、单分散滴状流、液滴群流、具有光滑界面的平行流、界面处有旋涡存在的平行流、不规则薄条纹流6 种流型；在流动充分发展区域观察到了弹状流、单分散滴状流、液滴群流、平行流、环状流5 种流型，实验流型如图1和图2所示。Jovanovic等[8]在毛细管微通道中发现了4 种稳定的流型，并考察了毛细管长度、流率及两相流量比对流型的影响以及流型对萃取性能的影响。Shao等[9]在实验中观察到了双乳W/O/W 流型，并分析了传质过程对流型的影响。另外，Sarkar等[10]在弯曲的玻璃微通道中对液-液两相流进行了研究，观察到了7 种流型，并绘制了不同条件下的流型图。此外，众多研究者利用各种工作体系与不同结构、内径的微通道，通过改变液-液两相的流量，研究微通道中液-液两相流的流型，其中观察到的稳定流型主要有液滴流、弹状流和平行流3 种[11-14]。

图1 T 形交叉点处的流型

图2 微通道内稳定流动状态下的流型

1.2 影响微通道内液-液两相流型的因素

研究发现，影响微通道内液-液两相流型的主要因素有：两液相流量，流体物理性质（界面张力、黏度等），微通道壁面润湿性、尺寸、入口结构等[14-15]。下文将阐述这些主要因素对流型的影响。

（1）两液相流量 在流量较小时，易生成液滴流和弹状流，随着流量的增大，平行流、环形流等流型易生成[16]。当流型为液滴流或弹状流时，分散相流量不变，连续相流量增加时，液滴直径或液柱长度减小；连续相流量不变时，随分散相流量增加，液柱长度增大，液滴直径增大[17]或变化不大[14，18]。

（2）界面张力 研究表明，相间界面张力是控制液-液两相流型转变的重要因素，界面张力越大，两相越易生成液滴流和弹状流，反之，越易生成平行流和环形流[7]。

（3）黏度 在形成液滴流和弹状流时，分散相黏度越大，生成的分散相直径或液柱长度越大；但是，连续相黏度的增大将导致分散相尺寸减小[13，18]。

（4）壁面润湿性 壁面润湿性对微通道内液-液两相流的流型有重要影响，通道壁面只有更亲连续相、分散相液滴或液柱才能形成[19]。在形成液滴流和弹状流时，通道壁对分散相的润湿性能越大（接触角越小），分散相液滴或液柱受到壁面的黏附力也就越大，分散相液滴或液柱从通道壁脱落所需的时间就越长。Zhao等[20]通过考察壁面性质对流体流动特性和传质性能的影响，发现壁面改性前后，微通道中两相流型发生改变。

（5）微通道尺寸 微通道尺寸对液-液两相流型影响不大，但是在不同尺寸微通道内，不同流型在流型谱图上所占区域会有所变化。Kashid等[21]研究发现，随着微通道尺寸的增大，弹状流在流型图上的分布区域增大。此外，当流型为弹状流时，随微通道尺寸的增大，生成的分散相液柱体积也增大。

骨质疏松性椎体压缩骨折(osteoporotic vertebral vompression fractures,OVCF)是临床常见、多发的骨科疾病,经皮椎体后凸成形术(percutaneous kyphoplasty,PKP)已成为目前治疗此病的主要方式之一,但术中球囊扩张部位对疗效及预后的影响研究尚少。本文将选取我院于2015年2月-2017年5月期间收治的90例骨质疏松性椎体压缩型骨折患者作为本次研究对象,探讨骨质疏松性椎体压缩骨折患者接受椎体后凸成形术治疗过程中不同的球囊扩张部位对其疗效及安全性的影响情况,为提高患者治疗效果及预后提供切实依据,现总结如下。

（6）微通道入口结构 常见的微通道入口结构为T 形、Y 形、聚焦流十字形以及同心圆形，研究不同入口结构对流型影响的工作较少，不过对不同入口结构条件下液滴流或弹状流生成机理的研究工作比较多。Kashid等[22]观察了不同结构微通道中液-液两相流的流型并给出流型谱图。通过对比各微通道的流型谱图发现，T 形、Y 形和同心圆形3 种入口结构微通道内观察到的液-液两相流型差别不大，但是各流型在流型谱图上的分布区域有所变化。

1.3 液-液两相流型谱图

在观察微通道内液-液两相流型的基础上，许多研究者都给出了相应研究体系的流型谱图。比较常见的方法是以两液相表观流速或流量为坐标作出流型谱图，以此预测液-液两相流型。此外，当实验操作条件一定时，液-液两相流型的多样性由两相黏性力、界面张力和惯性力的不同而引起，研究者也常以毛细管数、雷诺数和韦伯数为基础划分两相流流区，给出两相流型转变线，并分析流型形成机理。

Kashid等以两液相流量[21，23]以及两相表观流速[22]为坐标，给出了所研究的多种结构微通道内液-液两相流的流型谱图。Guillot等[24]通过改变油水两相流速，观察到了平行流和单分散相液滴流，并作出了实验条件下液-液两相流的流型谱图，提出两流型间的转变不能用毛细管数来描述。

Dessimoz等[12]给出了以两液相流量为坐标的液-液两相流型谱图；此外，还以毛细管数和雷诺数为坐标给出了T 形和Y 形微通道内液-液两相流的流型转变图，提出两液相流型的转变受界面张力与黏性力的竞争控制。Zhao等[7]通过对各流型的形成过程进行理论分析提出流型形成主要由界面张力和惯性力共同控制，并依据界面张力和惯性力为把油水两相流型谱图划分为界面张力控制、惯性力控制、界面张力和惯性力共同决定的3个区域。

人们希望提出普适性的流型谱图，包含尽可能多的控制参数。但是，到目前为止，普适性的液-液两相流型谱图和明确的流型转变线仍没有提出，已提出的流型谱图和流型预测公式适用性差，使用限制条件也较多。而微通道的结构尺寸、壁面性质等条件的不同，进一步增加了液-液两相流型定量研究的复杂性，影响微通道中液-液两相流型的生成和转变的机理研究还有待深入。

2 微通道内液-液两相传质

传质过程通常与流动、传质换热、反应耦合在一起，研究难度较大。微通道中，层流为流体的主要流动方式，扩散也因此成为流体间主要的传质方式。在微通道内，由于流体流层薄，比表面积大，扩散距离短，传质过程因此大大强化。对于微通道内液-液两相流的传质研究，研究方法主要有实验和数值模拟两种。

2.1 微通道内液-液两相传质实验

在利用实验方法研究液-液两相传质时，通常采用添加指示剂[12]、可视化[23]等实验手段来获取相关数据以表征传质速率及效率，研究内容主要包括微通道内液-液两相间的传质机理，影响萃取速率、传质系数的因素等。

微通道内液-液两相间传质机理与流型紧密相联，研究最多的是弹状流、液滴流和平行流条件下的传质。对于弹状流，分散相尺寸大于通道特征尺寸，分散相液柱内强烈的的内循环流动减小了液柱边界层厚度，增加了表面更新速率，从而大大强化了传质性能；对于液滴流，液滴尺寸小于或等于通道特征尺寸，两液相间的比表面积很大，有效传质面积大，此外，液滴内同样存在内循环流动，增强两液相间传质；而对于稳定的平行流，传质方式主要为扩散。

Kashid等[25]以水-丙酮-甲苯为实验体系研究了不同结构微通道中的流型以及传质情况。实验观察到6 种流型，并发现具有浅浮雕结构内表面的微通道为两液相提供更好的分散性以及更大的界面面积而取得了最佳的传质效果。研究还给出了各种结构微通道内传质的经验关联式。Sinkovec等[26]在液-液两相弹状流条件下进行相转移催化反应研究，弹状流为反应提供了稳定的反应条件。研究发现，停留时间一定时，总反应速率随界面面积的增大而增大。

Xu等[27]以正丁醇-丁二酸-水为实验体系研究了液滴流情况下的液-液两相间传质过程，得到的液滴尺寸介于130～550 μm，传质速率是传统反应器的10～100倍，微通道入口处液滴形成阶段两液相间的传质系数是液滴流动阶段的10～100倍。Kumemura等[17]利用T 形微通道内产生的液滴流进行水相中铝离子的快速萃取和检测，通过改变油水两相的流量来控制生成液滴的尺寸。研究中铝离子的完全萃取时间约为1 s，比传统反应器萃取速率快90倍。另外，Su等研究发现利用气体的搅拌[28]或填充微颗粒[29]可极大地强化两相的分散效果，比表面积和表面更新速度大幅增加，两相间的传质效果显著增强。

Chasanis等[30]通过对微通道的上下壁面分别进行疏水性和亲水性处理，研究平行流条件下水/甲苯/丙酮/甲基异丙基酮的交叉萃取过程，提出两溶质间的反应可促进传质。Zhao等[31]将微通道划分为5个传质区域，并利用时间外推法消除样品分离过程对传质的影响，精确测量微通道内传质效果。实验证明微通道的传质效果比传统反应器高2～3个数量级，此外还提出了预测微通道内液-液两相流传质性能的经验关系式。

2.2 微通道内液-液两相流数值模拟

数值模拟方法是研究微通道内液-液两相流的重要手段之一，常用的模拟软件为Fluent 或研究者自行开发的多相流模型计算程序。数值模拟方法经常用来考察液滴流和弹状流的生成机制，各因素对液柱长度的影响以及液柱内溶质浓度分布和速度分布等。微通道内弹状流的相间接触面积大，能够强化相间传质；两相间薄液膜能增强管壁与分散相液柱之间的传热与传质速率；液柱内循环流动能促进混合、增强传质。因此，微通道内弹状流传递具有广阔的应用前景。此外，弹状流也是一种十分稳定的液-液两相流型，因而成为数值模拟方法研究液-液两相流的主要研究对象。

De Menech等[32]对微通道入口处分散相液柱的形成过程进行了模拟研究，提出分散相液柱的形成机理分为挤压、滴柱和喷射3 种，并对每一种机理的主要影响因素进行了模拟分析。Kashid等[33]通过基于有限元的流体动力学模型对有无化学反应条件下弹状流传质过程行了模拟，研究发现黏度对液柱内流动没有影响，研究结果与已发表的实验结果吻合度较好。Ghaini等[34]利用基于不可压缩Navier-Stokes 方程、含有合适两相边界条件的VOF算法预测了弹状流液柱形状以及液柱内流体动力学，在液柱模拟的速度矢量图中显示了完全发展的内循环流动，并表明了液膜对流体动力学和两相间传质的重要性。王文坦等[35]构建了一套用于计算多相微流体的LBM 模型方程，并用该方法对方形通道内液滴流进行了三维模拟，揭示了微通道中液滴内部的流动机制。

在微通道内液-液两相间传质的研究过程中，由于两相流的复杂性以及端效应等因素，使得实验分析难度较大，并且大多研究都属于定性研究，定量研究较少。而要对微通道内液-液两相间的传质过程进行定量研究，必须在研究手段上有所突破，使传质研究进入一个新的阶段。

3 微通道内液-液两相流的应用

多相微反应器传热和传质性能好，可以实现流体的有效混合，并优化多相反应的操作。微通道内液-液两相流体系在萃取[36-37]、相转移催化[38]、有机合成[39-40]、乳液制备[41]等领域具有较为广泛的应用前景。

微反应器中传质传热过程的强化以及微尺寸效应减小了液-液两相快速强放热反应工业化的困难。Shen等[42]研究了微通道内液-液两相强放热合成反应-异辛醇与混合酸（硝酸和硫酸）之间的硝化反应，该反应存在潜在的爆炸危险和副反应的发生。实验证明了微通道中进行该反应的可行性和安全性，此外，还给出了进行该合成反应的最佳实验条件。与传统反应器相比，反应的最佳温度有所提高，没有副产物生成，异辛醇的转化率可达98.2%。

液滴流和弹状流是微通道内液-液两相流中最常见且应用最为广泛的流型，由于微通道内产生的液滴和液柱大小可控、生成频率高、流型稳定，因而液滴流和弹状流常被应用于酶测定、蛋白质结晶、纳米粒子合成以及胶囊制备等领域。Huebner等[43]在水相微液滴中进行了定量的细胞酶化验，该实验证明对微液滴中的个别酶反应进行化验是可行的。Ravi Kumar等[44]在螺旋微反应器中，利用弹状流合成Ag 纳米粒子，并讨论了液柱尺寸以及滑移速度等因素对纳米粒子的粒径分布的影响。Huang等[45]利用聚焦十字形微通道制备了大小为130～580 μm的京尼平-明胶微胶囊，并且胶囊的大小非常均一，这种大小均匀的微胶囊将为制药应用提供许多潜在的用途。

4 结语

液-液两相流作为微化工技术的基础研究内容，其流型和传质的实验及模拟研究对微化工技术的发展具有重要意义。

（1）在微通道内液-液两相流研究中，常见的流型有液滴流、弹状流、平行流和环形流。两液相流量、流体物理性质以及微通道壁面润湿性等因素对流型有很大的影响。目前，普适性的液-液两相流型谱图和明确的流型转变线仍未提出。

（2）对于微通道内液-液两相流的传质研究，研究方法主要有实验和数值模拟两种，并且大多研究都属于定性研究，定量研究较少。

（3）对于微通道内液-液两相流，还需从以下两个方面深入研究：①实验与模拟计算相结合，分析各流型的生成机理、流型间的转变机理、两相界面现象以及传递规律，提出适用性好的液-液两相流型谱图、流型转变判别式以及传质定量表达式；②拓展微通道内液-液两相流的应用研究，推进其工业化进程。

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