氣液反應(yīng)廣泛存在于化學工業(yè)中，強化氣液反應(yīng)的核心在于高效的相分散，即提供微細、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)展將會極大地促進微化工技術(shù)的發(fā)展，為傳統(tǒng)化學工業(yè)升級改造提供源動力。
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玻璃（PMMA）板上進行精密機械加工制成，再與另一塊 PMMA 板由熱壓機封裝。毛細管嵌入主通道內(nèi)的作用是提供分散相流動通道，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，清華大學化學工程系曾發(fā)展了一種基于氣泡體積隨時間的變化在線測定氣泡生成階段和運動階段傳質(zhì)系數(shù)的方法。
使用化學吸收法研究 氣 / 液傳質(zhì)過程，實驗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 是常見的有機溶劑，為化學反應(yīng)提供溶劑環(huán)境。氣相為CO2-N2 混合氣體，用于實驗中考察物質(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）實驗中使用的氣相，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，同時也忽略溶液向氣相的揮發(fā)；
（3）當 CO2 被液相吸收后，認為由此產(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)的流動過程中，氣泡中的壓力沒有明顯變化，可認為壓力值為常數(shù)。
MEA 是一種常見的一級胺，與CO2 反應(yīng)時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]。對于非水型有機溶劑，一般認為只有胺類作為去質(zhì)子化基底：
根據(jù)以上的反應(yīng)機理，對中間產(chǎn)物濃度進行擬穩(wěn)態(tài)假設(shè)，可得到總反應(yīng)速率方程：
在實驗中，CO2 吸收過程在較高的 MEA 濃度下進行，認為 MEA 濃度基本不變，從而整個反應(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，kl0 為 CO2 被溶劑物理吸收時的液相膜傳質(zhì)系數(shù)。經(jīng)過計算 Ha 數(shù)的值大于 3[2]，因此 CO2 與 MEA 的反應(yīng)可認為是快速反應(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算：
式中，dh 和 G 分別為微通道的水力直徑和流體的質(zhì)量流速。經(jīng)過計算，整個通道內(nèi)的壓降小于 4kPa，與通道出口的壓力 1atm 相比可以忽略。與此同時也進行了實驗驗證，對于無傳質(zhì)的純 N2 分散過程，在實驗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)形成和運動過程中傳質(zhì)系數(shù)的計算方法。其中對于氣泡運動階段，指的是氣泡從毛細管尖端脫落后在下游通道內(nèi)的流動階段，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間的變化，如圖 3 所示，即可計算得到氣泡在運動階段的液相總傳質(zhì)系數(shù) KL。
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