微通道內氣液流動與傳質特性的研究進展

袁諒，從海峰，2，李鑫鋼，2

（1 天津大學化工學院，天津 300354；2 天津大學浙江研究院，浙江 寧波 315201）

微化工技術是指在微米級或亞微米級限域空間內進行化學反應和化工分離過程的技術[1]。微化工技術興起于20 世紀80年代。針對某些傳統化工技術存在設備投資大、效率低以及安全性差等問題，微化工技術可以充分發揮小尺寸、大比表面積、流動過程可控性高等優勢，為降低生產成本、提高反應過程安全性提供了新方案[2]。同時，微化工設備的放大過程也避免了傳統化工的放大效應，通過增加微化工設備數量，達到擴大生產規模的目的，從而節約了小試到中試到工業生產的時間成本，為化工生產的技術放大路線提供了新思路。

微化工技術的提出也吸引了從事氣液反應學者們的目光[3-7]。在微米級的特征尺寸下，氣液相界面密度顯著提升，這有利于大幅提高氣液傳質速率。微通道內氣液反應的反應物體積很小，微反應器極大的比表面積具有極高的換熱效率，可以很快將反應放出的大量熱導出，反應過程可控性更高[8-9]。相對傳統化工設備，微化工技術可以在苛刻的工況下提供更加安全的反應環境?；谝陨蟽烖c，微化工技術在許多氣液反應中有重要作用，比如催化加氫、直接氟化和氣體吸收等過程[10-13]。微化工技術使得在安全生產的條件下進行氣液反應并獲得更高的時空產率成為可能。

氣液傳質和反應過程與兩相流動形式密切相關。在微通道中，界面力的存在將導致氣液兩相流動特性與傳統大尺寸通道中非常不同。微分散過程中，調控界面力和黏性力等成為主要控制微分散尺寸的方法。因此本文從氣液兩相流動形態與傳質過程出發，結合近年微化工強化氣液傳質過程的發展，重點論述豐富的氣液兩相流流型及影響流動形態的因素，對現有的傳質模型進行了系統分類；并從主要流動區域中氣液兩相接觸方式的角度，對氣液微反應器提出了更具有針對性的分類方法，引用氣液兩相反應的例子來論述它們的應用；最后，對其未來發展的方向進行了展望。

1 微通道內氣液兩相流動過程

微米級通道為氣液非均相體系微分散過程提供場所，不同的微通道結構、微通道表面性質、操作條件會使氣液兩相呈現不同的流動形態，對有效強化兩相間的傳質過程具有重要影響。氣液非均相體系的流動過程和傳質性能的研究是微化工領域的重要發展方向[14]。

1.1 氣液兩相流型及分布

典型的氣液兩相流型有如圖1所示的五種流動模式，分別是泡狀流（bubbly flow）、彈狀流（slug flow）、團狀流（churn flow）、彈狀-環狀流（slugannular flow）和環狀流（annular flow）[15]。當氣液兩相流型為泡狀流時，微通道中的氣體以近似圓形的氣泡形狀分散在液體中圖2(a)。隨著氣速的增加，泡狀流中的氣體形狀更趨向于不規則。當氣液兩相呈現彈狀流時，液體依附壁面流動，氣相以接近“子彈”的形狀在液體中分散圖2(b)。當氣液兩相形成團狀流時，彈狀流的氣體尾部附近變得十分不穩定，導致尾部的彈狀氣體破裂成細碎的氣泡，并將氣體夾帶到液體中。減小氣液兩相表觀速度，細碎的氣泡不僅出現在彈狀氣體尾部，也會分散在彈狀氣體周圍。因此，此處定義的團狀流又稱為摻氣段塞流。

圖1 微通道內常見的氣液兩相流流型（據Triplett等[15]）

圖2 微通道內豐富的氣液兩相流流型

除了以上典型的五種氣液兩相流流型，許多學者也觀察到更為豐富的氣液兩相流形貌。如在彈狀流向彈狀-環狀流過渡的過程中，微通道內有幾個形狀各異的氣泡會在管道中心線串聯成一串，形成如圖2(c)所示的串流[16]。在串流之后，會逐漸形成液體厚度不均但依附壁面流動的液環流[圖2(d)]或液塊流[圖2(f)]。而靠近壁面的液體中出現少量氣泡，則形成了泡沫環狀流[17][圖2(e)]。此外，在環狀流的基礎上[圖2(g)]調節管壁的潤濕性和潔凈度，可能會在通道內形成如圖2(h)所示的非均勻厚度的液體薄膜，膜厚度會沿著管的長度扭曲，就像溪流一樣[18]。

根據不同的標準，可以對微通道內氣液兩相的流型分布圖做不同的分類。如以氣相和液相的表觀速度為橫縱坐標劃分的如圖3所示的氣液流型分布圖。當液速遠大于氣速時，氣液兩相流型為泡狀流，兩相速度差越小，氣相分散越密集，形狀越不規則。當氣液兩相流速相近的時候，氣液兩相呈現彈狀流。當氣速略大于液速時，氣液兩相形成團狀流。持續減小液速，氣液兩相在微通道內呈現環狀流。在相對較低的液速下，增加混合物體積通量會導致更長的氣泡和更短的液體段塞，最終導致細長氣泡的合并，形成彈狀-環狀流。隨著氣速的進一步增大，長氣泡全部合并，液體依附于管壁流動，氣液兩相呈現環形流。

圖3 以氣速和液速為標準的氣液流型分布（據Triplett等[15]）

由于微通道內氣液兩相流型受微通道尺寸、氣液兩相性質和材料表面性質等多重因素影響，許多學者總結的兩相流型分布圖也僅限于所測定的應用條件[19]，不具有普適性。Shao 等[20]基于表面張力和慣性力相對于氣液兩相流型的重要性，確定了三種總體流動形式，即表面張力主導、慣性主導和過渡形式，并將常見的幾種氣液兩相流型進行分類，即泡狀流和彈狀流是以表面張力為主，團狀流和彈狀-環狀流處于過渡區，分散流和環狀流主要以慣性控制。圖4 顯示了以表面張力-慣性力為標準的氣液兩相流型分布圖。

圖4 以表面張力-慣性力為標準的氣液兩相流型分布

1.2 影響兩相流型的因素

在上述氣液微通道流動形態的研究中，流型的轉變取決于參數的設定，參數對氣液兩相流型的影響分為兩種：一種是在不影響具體流型的情況下，影響氣液兩相的分散狀態；另一種是直接影響了具體流型。其中，影響因素可分為操作條件、微通道結構參數、流體物性和其他因素。本節將根據以上分類進行討論。

1.2.1 操作條件

（1）氣液兩相流速

氣液兩相流型在微通道內呈現彈狀流時更便于觀察，彈狀流的主要特征是氣泡和液體段塞的尺寸[21-23]。而氣液兩相的流速對它們有著直接的影響。增大液相流速可以增強液相的剪切力，從而減小氣泡的尺寸。氣相流量的增大使單位時間內進入氣泡的氣體量增大，會增加氣泡的尺寸。而大幅改變氣液兩相流速可能對流型造成直接影響[24]。Ganapathy等[25]在二乙醇胺水溶液吸收CO2時調節不同的氣液兩相流速，在液速0.04m/s 和氣速1.80m/s 時形成彈狀流，而進一步增加液速至0.10m/s 和氣速至9.10m/s時，氣液兩相流型從彈狀流轉變為彈狀-環狀流，氣速的增加會導致更高的氣體空隙率，從而形成較薄的液膜，改變了原有的流型狀態。

（2）系統溫度

一般來說，溫度的改變主要影響兩相流體的狀態，許多學者[26-29]發現溫度的變化一定程度上會影響兩相流型。溫度的變化直接影響黏度大小。降低黏度來減小液膜的厚度，可以增加兩相接觸面的強度。

（3）系統壓力

系統壓力對氣液兩相流型的影響是多方面的。一方面，系統壓力的增加會影響氣泡周圍的液體泄漏量，大量的液體泄漏減少了液體的擠壓，從而導致氣泡形成周期變長[30]。另一方面，壓力條件的變化也會影響兩相物理性質。因此氣泡的長度變化隨壓力的變化并不是單一的線性關系，這主要取決于哪項影響因素占領主導地位[31]。

1.2.2 微通道參數

（1）微通道形狀的影響

微通道的幾何形狀對于微分散過程具有重要影響。圖5對比了直徑1.090mm的半三角形微通道和直徑1.097mm的圓形微通道的氣液兩相流型及流型過渡線[15]?？梢园l現以氣體和液體速度為坐標的流型圖總體上是相似的，但在彈狀-環狀流和環狀流的劃分區域內有明顯不同。

圖5 相近直徑下圓形微通道與半三角形微通道的氣液兩相流型分布（據Triplett等[15]）

微通道的形狀可以影響氣液兩相的流動通道，三角形微通道內的橢球狀氣泡幾乎覆蓋了整個通道的橫截面，使得側壁部分干燥，如圖6(a)所示。而液體在表面張力的作用下被拉進三角形的角落，所以液相總是保持連續的[17]。此外，在對比半三角形和等邊三角形微通道內氣液兩相流型的實驗結果時發現，兩種三角形微通道內形成的泡狀流形貌不太相同，其原因可能是由于Triplett 等的微通道直徑（1.09mm）大于Zhao等[17]采用的（0.866mm），也可能因為Triplett等[15]的半三角形微通道有一個角是圓角[如圖6(b)所示]，導致缺少一個尖角引起的表面張力的差異。

圖6 等邊三角形與半三角形微通道內氣液兩相分散形貌對比

此外，微通道的幾何形狀也可以引起兩相流的額外擾動，如在微通道內設置擋板[32]或在微通道上設置局部突擴空間[33]等。如圖7所示，當在微通道內注入不同濃度比的單乙醇胺（MEA）和離子液體（IL）并設置擋板時，彈狀氣泡流過擋板區域，擋板與對面通道壁面之間的空間縮小，擋板微通道內氣泡在流過擋板區域時會經歷一個動態演化過程：擠壓、伸長、變形、加速甚至破裂。

圖7 設置擋板與無擋板在微通道內的氣液兩相流型對比（據Yin等[32]）

（2）氣液兩相入口夾角的影響

氣液兩相入口夾角大小會影響微分散過程所產生的氣泡的形貌。如圖8 所示，當控制相同的氣體注入量時，隨著氣相入口與液相入口夾角的減小，初始氣泡的形狀也從規整的彈狀形趨向于水滴形。氣液相入口夾角越小，可形成的氣泡體積越大。氣液兩相入口夾角影響微分散過程的原因可能與界面壓力有關[34]。由于夾角的改變，氣泡在流動方向上在主通道中發生偏轉。氣泡頸部的寬度減小，界面壓力就會增加，氣泡的破裂的速度就越快。

圖8 微通道入口夾角對氣液兩相流型的影響（據Lim等[34]）

（3）氣液兩相入口尺寸的影響

在擠壓狀態下，氣泡長度由擠壓時間決定，而擠壓時間與注氣器尺寸成正比，因此氣液兩相入口尺寸同樣對微分散過程有著重要影響。如圖9所示，隨著注氣器直徑的增大，氣泡尺寸增大，但增大趨勢逐漸平緩。此外，研究發現氣泡的形成是剪切力和表面力平衡的結果[24]。剪切力與兩相間的相對速度有關。表面力與氣泡大小有關，氣體噴射器直徑限制了毛細管出口氣相的形態。因此，注氣器直徑對分散過程的影響主要體現在表面力上。

圖9 微通道注氣器直徑對氣泡大小的影響（據Chen等[24]）

1.2.3 流體物性

兩相組成變化所引起的黏度、界面張力等物性變化對流型有著重要影響。Yang等[35]探究了羧甲基纖維素鈉（CMC）溶液和氮氣的兩相流動過程。如圖10(a)所示，在相同條件下，CMC 溶液的濃度越大，氣泡長度越小。原因在于高濃度的CMC溶液黏度較大，微通道內的壓降也較高，氣泡難以延伸。界面張力對流型的影響如圖10(b)所示，隨著液體表面張力的減小，氣泡流動區域向氣速低、液速高的方向移動。此外，隨著液體表面張力的降低，彈狀氣泡的長度會逐漸減小，氣泡形成的頻率雖然略有增加，但這些小的氣泡仍會導致低的含氣率[36]。

圖10 流體物性對氣液兩相流型的影響

1.2.4 其他因素

有時為了增強兩相之間的接觸，會在微通道外增加外場力或外加顆粒等，以上因素也對兩相流型有一定影響。對比帶有超聲和不帶超聲的微反應器內氣液兩相流型，沒有超聲的微反應器內存在規則流，而超聲布置下的流動行為更為不規則[37]。此外，在不同的操作條件下，超聲波輻照對界面面積有顯著影響。這主要是由于超聲波的傳播使得微泡崩塌，產生了更強的誘導微流和微射流，從而干擾氣泡的形成過程，改變液體段塞的長度和氣泡大小。

2 微通道內氣液兩相傳質過程

本節將氣液兩相傳質過程分為兩方面論述，分別是分析微通道內氣液兩相傳質過程影響因素和建立微通道內氣液兩相傳質模型。其中，傳質模型是許多學者研究氣液兩相傳質過程的重點內容[38-42]。只有在明確各因素對于傳質過程影響后，才能以此為基礎建立傳質模型。

2.1 傳質過程影響因素

微通道內氣液兩相傳質過程強化方式的研究與兩相流型有著密切的關聯，1.2節影響氣液兩相流型的諸多因素對傳質過程也有著重要的影響。因此在本節同樣將影響傳質過程的因素分成幾個方面來論述，如以氣液兩相流速、氣液兩相濃度為代表的操作條件，以微通道形狀、微通道潤濕性和微通道尺寸等為代表的微通道參數設定，以及其他影響因素。

2.1.1 操作條件

（1）氣液兩相流速

氣液兩相流速的改變主要通過改變微通道內氣液兩相界面面積來影響傳質系數[43]。當氣液流量比增大時，微通道內氣泡體積增大導致氣液界面總面積增大，有利于氣液兩相間的傳質。增大氣液流速比會引起液體段塞內部的再循環，從而導致微通道內液體段塞與氣泡之間的對流傳質增強[44]。但值得注意的是，這種影響并不總是積極正面的。雖然增加氣液流速比可以提供更高的氣液界面面積，但氣速的增加會導致停留時間的減少，可能會對氣液反應產生不利影響[45]。因此，調節氣液兩相流速影響傳質系數是一個需要權衡的過程，應當根據實際體系選取合適的氣液兩相流速。

（2）氣液兩相濃度

調節氣液兩相濃度的目的是降低傳質阻力提高傳質效率[46]。以微通道內單乙醇胺（MEA）和乙二醇（DEA）溶液吸收CO2過程為例，在初始CO2體積分數較小時，其對總傳質系數的影響不明顯，但隨著初始CO2體積分數的增加，高CO2體積分數降低了氣相的傳質阻力，總傳質系數顯著增大[47]。

2.1.2 微通道參數

（1）微通道形狀

非直線形的微通道內的氣液擾動會增強，表現為液相速度邊界層被破壞，不規則區域附近流速增大，角落附近形成渦流等一系列行為。因此，增加擋板或調節微通道形狀可以有效地促進流體的擾動，并破壞滯流區和層流邊界層，從而改善對流傳質。更強堵塞狀態的擋板設置會產生更強的擾動、更快的流體速度和更大更強的渦流，從而傳質速率增加更為顯著[48]。此外，對于螺旋微通道而言，不同的彎曲直徑對氣液傳質強化也有不同的影響。在螺旋形狀和雷諾數相同但螺旋半徑不同的情況下，氣液傳質速率會隨著螺旋半徑的減小而增大。曲徑形狀對氣液傳質速率的增強作用與螺旋形狀相似，而扭轉形狀對氣液傳質速率的增強作用略低[49]。

（2）微通道潤濕性

表面潤濕性主要通過影響氣液兩相間的相對運動而影響傳質過程。相比較而言，大接觸角的微通道內氣泡速度的增加，會導致氣泡與連續液相之間的相對運動增加，從而強化氣泡端部附近和液膜內的對流混合[50]。

（3）微通道氣相入口尺寸

氣相作為分散相的氣泡大小主要由微孔大小決定。在氣體總量相同時，微孔尺寸越小，氣泡越小，但氣泡數量增加，氣液界面的湍流度、比表面積和更新率增加，從而導致傳質系數增大[51]。

2.1.3 其他因素

除了從操作條件和微通道性質入手提高氣液兩相傳質效率，許多學者也在微通道內加入固體顆?；蛟黾油鈭隽Φ姆绞綇娀瘍上鄠髻|[44]。超聲波輻照對微反應器的傳質速率有較大影響。高頻波的傳播會導致微泡破裂，使微反應器內產生強烈的微流和更多的局部湍流。此外，超聲波可能會破壞界面，并引導一個相進入另一個相。這些現象可以有效地增強混合過程，增加氣液兩相的接觸[37]。

2.2 傳質模型

2.2.1 基于傳質機理的傳質模型

作為近年來重要的研究方向，基于傳質機理的氣液傳質模型越來越受到關注[52]。不同的傳質模型如圖11所示。

圖11 不同的氣液傳質模型（據Yao等[52]）

Yao 等[53]提出了一種基于氣泡物理溶解速率的單元傳質模型，如圖11(a)所示。將氣泡傳質與氣泡收縮率聯系起來，由于單元內氣相溶質質量守恒，可得式(1)。

式中，VL和VB分別表示單元內的液體體積和氣泡體積，通過擬合不同位置的氣泡長度，即可確定液側體積傳質系數kLa。

Abiev 的前期工作中得出液體段塞中具有三層共軸結構，且每層都具有相應的對流速度的結論[54]，因此Svetlov 和Abiev[55]構建了基于彈狀流的三層流動結構，并建立了描述傳質的簡化數學模型。如圖11(b)所示，段塞內部可分為三層，其中兩層，即內層和環形層，參與沿相反方向移動的循環流，另一層為近壁過渡膜，不參與段塞的內部循環。對于每一層，流體速度是均勻的，簡化了拋物線速度剖面?？梢杂靡痪S微分方程來求解傳質問題，即式(2)。

Van Baten 等[56]探究了圓形毛細管中的彈狀氣泡向液相的傳質過程。依據Higbie滲透模型，將整個傳質過程切分為從任一半球形到周圍液體的傳質過程和液膜的傳質過程，見圖12。采用周期邊界條件，確定液相體積傳質系數，如式(3)～式(5)。該模型表明，液相體積傳質系數受氣泡上升速度Vb、液體擴散率D和微通道直徑dc等參數的影響。

圖12 毛細管中彈狀氣泡上升示意圖（據Van Baten等[56]）

盡管上述模型考慮了帽層和液膜分別對kLa的貢獻，但被發現難以準確預測短段塞液相中O2平均濃度。Butler 等[57]提出了該模型的改進版本，具體模型如圖11(c)所示。膜由沿整個單元的管壁處的薄膜層組成，從氣泡側向界面進行傳質供給，并同時連接著上下兩層液膜。氣泡的帽層界面傳質近似于Van Baten 等[56]的算法，但對于靠近壁面的液膜層與段塞之間的質量交換，Butler 等[57]認為它從氣泡的側向界面接收溶質，然后作為液體段塞的來源。這種模型可以很好地估計膜和段塞中的溶解氣體濃度。

如圖11(d)所示，Eskin和Mostowfi[58]建立了長毛細管中氣泡列流的傳質模型。段塞和氣泡依次編號，值得注意的是，編號i的氣泡同時接觸編號i和編號i+1的段塞，且這兩個段塞分別具有不同的溶解氣體濃度和不同的氣液傳質速率。該模型考慮了由于摩擦損失引起的壓力下降導致的氣泡膨脹和流速沿通道增加的問題，并給出了氣泡速度和體積傳質系數沿不同直徑通道的分布。Nirmal 等[59]在此基礎上進行了進一步的修正，補充了液體段中濃度分布和傳質速率的相互依賴性。

表1對這些模型的主要假設和適用范圍進行了簡要總結，可以為模型的選擇提供初步指導。

表1 基于傳質機理的傳質模型對比

2.2.2 基于能量轉化的傳質模型

受大管道中液側體積傳質系數可以很好地與能量耗散參數ε相關聯的啟發，Yue 等[60]將計算能量耗散的部分參數引入到液側體積傳質系數計算中，得到如式(6)所示的相關性。

此外，可以從傳遞理論出發，對流傳質是由輸入氣液系統的能量引起的[26]。反應器在傳遞方面的性能是由能量輸入（即功率消耗）的數量和轉化為質量傳遞的能量的效率來區分的。從功耗的角度分析微反應器的傳質性能，由于流體泵送是唯一的動力源，因此功耗可以用氣液壓降計算，如式(7)。

通過等溫膨脹假設，可以估算出氣相的功耗，如式(8)。

由于總功耗的一部分被轉化為熱量，其貢獻可以用單相壓降來表征。因此，物理吸收的傳質系數可被表示為式(9)。

此外，與物理吸收類似，化學吸收的傳質系數也可以與功耗相關。當DEA與CO2的初始摩爾比大于2.5 時，該反應可大致視為一級不可逆反應，此時化學增強因子是液相中DEA濃度平方根的函數。因此，引入DEA與CO2摩爾比的平方根項來說明化學增強的影響，最終化學傳質系數估計的經驗相關性如式(10)。

如圖13 所示，基于能量轉化的物理吸收和化學吸收傳質系數計算模型在各種工況下均獲得了很好的預測效果。

圖13 物理吸收和化學吸收傳質系數測量值與預測值的比較（據Yue等[60]）

2.2.3 基于量綱為1數的傳質模型

另一種關聯液側體積傳質系數的方法是使用量綱為1經驗關聯[61]。通過建立不同流態下的單獨參數關聯，對實驗數據進行最小二乘回歸，以顯示當前流態下微通道中的物理傳質特性。應用基于能量轉化的傳質模型需要精確的彈狀液體長度和兩相壓降數據，這在應用上有很大的局限性。因此，樂軍等[62]選取舍伍德數和施密特數關聯式來描述實驗獲得的傳質系數，如式(11)。

然而，Ji等[63]發現當實驗中氣液兩相雷諾數以及微通道水力學直徑遠小于上述公式應用范圍時，公式的偏差將超過20%。當微通道直徑小于200μm時，毛細數Ca對氣液兩相流動有著重要的影響，因此，在式(11)的基礎上，引入液相毛細管數CaL，提出了一種新的相關關系[如式(12)]，在該條件下具有良好的預測性能。

此外，傳質系數也可與增強因子E進行關聯[64]，增強因子E的定義和計算如式(13)。

預測值與實驗結果的平均偏差為4.03%，具有較好的預測能力。

通過加入強化微觀結構對傳質性能的影響來進一步優化模型，特別是加入Da數，可以反映化學反應和強化結構對傳質強化的影響[65]，結果如式(15)和式(16)所示。

3 氣液兩相微反應器

目前已有的氣液兩相微通道反應器的分類是基于微通道氣液兩相入口形狀劃分反應器類型的，但該劃分標準并不能很好地表現氣液兩相在微通道內流動形式。因此本節根據主要流動區域中氣液兩相流動方式把氣液微反應器劃分成并流微反應器和逆流微反應器，再根據主要流動區域形貌分成相應的類型。

3.1 并流微反應器

已經報道的氣液兩相微反應過程大部分是在并流微反應器內進行的。隨著微化工技術的發展，開發了各種形式的氣液兩相微反應器。本節根據其主要流動區域形貌將并流微反應器劃分為螺旋型、擋板型、降液型、凹槽型、突擴型、填料型、鼓泡型和套管型，見圖14。

圖14 幾種典型的并流氣液兩相微通道結構示意圖

（1）螺旋型 微通道曲線半徑對液體速度場有顯著影響。當液體通過通道彎道時，由于離心力的作用，液體從內通道被輸送到外通道，再通過再循環被輸送回來[66]。許多學者[22,67-68]設計了曲線半徑不同的彎曲微通道，以通過幾何形狀增強整體傳質過程。而螺旋型微通道正是在此背景下應運而生的，如圖14(a)所示。在這種幾何形狀中，兩相流能夠不受干擾地發展[69]。兩相在螺旋流動中，密度大的相被橫向離心力強迫到通道外側流動，離心力的剩余分量驅動其沿螺旋向外流動。而當旋轉速率和壓力梯度選擇合適時，密度較輕的相則在沿螺旋通道內部沿螺旋向內流動的層中流動。

（2）擋板型 擋板型微通道是通過在微通道中放置障礙物來誘導湍流來實現過程強化（圖15），從而產生更高的混合、質量和傳熱效率。與暢通無阻的通道相比，流體流過障礙物會變得不穩定，這會使邊界層變薄甚至破壞，從而改善中心和近壁流體層之間的混合，導致相間混合加劇[70]。合理的擋板結構可以有效地提高氣液傳質性能[32]。但擋板微通道的壓降與無擋板微通道相比略有增加（最大增長0.3kPa，相對增長20%）。此外，與矩形和半圓形的障礙物相比，三角形障礙物具有更好的均勻性和穩定性[71]。

圖15 典型的擋板型微通道

（3）降液型 液體進料在重力作用下在降膜反應器的固體支撐壁面上形成薄液體膜，固體支撐通常是薄壁或凹槽。液體反應物分布在與水平面垂直定向的反應板上，通過板頂部的孔進入并排設置的反應通道，并作為流體膜向下流動到底部的出料區[圖14(c)]。液態反應物的流動方向與重力方向相對應，氣相相對于液相可以并流或逆流[72]。它們的主要優點包括高的散熱能力和液相傳質阻力的最小化。然而，降液孔道的微結構精度對傳質效率有顯著的影響。此外，入口區域的密封質量是影響流動均分的另一個重要因素[73]。因此，降液型微反應器對微加工和密封技術要求較高。

（4）凹槽型 槽狀微通道已被證實具有較低的能耗和優良的傳質強化效果，而增強效率主要取決于凹槽結構。Chen等[74]設計了帶心形凹槽的微通道[圖14(d)]，并系統研究了凹槽數量和排列對傳質強化的影響。結果表明，氣泡進入槽內時，槽內結構會引起渦流和湍流，從而促進氣液兩相間的傳質，有效傳質效率也會隨凹槽數量的增加而增加。

（5）突擴型 連續突擴結構[圖14(e)]能顯著增強氣液傳質[33]。且傳質能力隨突擴單元數和氣液流量比的增加而增大，而壓降只有輕微的升高。

（6）填料型 金屬泡沫內部孔徑小，流道曲折，原料氣與填料界面接觸良好，吸附性能顯著[75]。

（7）鼓泡型 圖14(g)展示了微鼓泡裝置，微泡塔包含一個集成的多通道微型混合器，反應板以及一個小型熱交換器，微泡塔的中心部件是一個靜態微混合器，用于控制氣液兩相進入反應通道。一般情況下，氣相進料通道被設定得比液相進料通道小得多，以確保良好的兩相流動狀態。

（8）套管型 圖14(h)展示了高通量微孔管反應器（MTMCR），MTMCR 由同一軸雙管組成[45,76]。內管入口端附近的管壁周圍分布著大量的微孔。經微孔向外流動的氣體被分散成環形氣流（氣泡），并與腔室內液體在內外管之間進行高速交叉碰撞，從而提高氣液傳質效率。

3.2 逆流微反應器

氣液兩相逆流微反應過程可以有效地提高氣液傳熱傳質性能。然而，由于微通道尺寸較小，如何在狹窄的通道內構造空間形成氣液逆流也是一個難題。本節根據微通道主要流動區域形貌將常見的氣液逆流微反應器劃分為螺旋型、降液型和殼管型，如圖16所示。

圖16 幾種典型的逆流氣液兩相微通道結構示意圖

（1）螺旋型 螺旋微通道利用離心力可以保持相分離成平行流動的液體和蒸氣層[69]。當離心力與沿通道的壓力梯度相反時，液體層與蒸氣層可以逆流而行[圖16(a)]。而改變旋轉速率和壓力可以調整兩相之間的接觸層厚度。MacInnes等[77]針對該氣液逆流接觸反應器建立模型計算，發現液層厚度隨著液體流量、氣體流量和液體黏度的增加而增加，而轉速的增加會使液層厚度減小。因此，調節外部控制的參數、轉速和壓力梯度，設置相對相層厚度和流速，可以在廣泛的不同相和溶質體系中實現最佳傳質。這增加了應用于各種流體接觸操作的可能性，包括蒸餾、吸收、萃取和多相反應與分離。

（2）降液型 在降液結構中，液相通過水平槽引入微反應器裝置[圖16(b)]。然后將溶液分配給子流，子流通過孔板進入微通道并向下流動。液體反應物的薄膜是由重力產生的。氣相通過微反應器裝置逆流進入液相，在液、氣組分界面處發生化學反應。

（3）殼管型 圖16(c)是一種具有微尺度幾何特征的殼管吸收器[78]。在逆流配置中，當稀溶液從吸收器頂部進入時，蒸氣通過吸收器底部的端口進入，并逆流至稀溶液。管側的耦合流體從吸收器的底部流向頂部。該裝置的特點是管徑小、管密度高、換熱面積大。緊湊的擋板間距與緊湊的管間距相結合，形成了蛇形的流動路徑，增加了溶液和蒸氣之間的混合，從而增加了界面面積。小管尺寸也提供了高的傳熱系數，這有助于減少從工作流體到耦合流體的總體傳熱阻力。

氣液兩相逆流式微反應器種類相對于并流式微反應器較少，其局限性在于如何在狹窄的通道內構造較好的氣液逆流接觸形式。天津大學李鑫鋼教授團隊近年來研究了螺旋液橋多相流動形式，發現在螺旋線間隙內可形成螺旋降液過程。如圖17(a)所示，螺距大時是液滴流，螺距小時是液橋流[79]。液橋嚴格按照螺旋軌跡進行流動，且流動過程穩定。據此，螺旋液橋流動過程的開發模塊化規整填料可應用于強化精餾和吸收等氣液傳質過程[80-82]。此外，圖17(b)為對螺旋液橋流體力學的研究，揭示了螺旋液橋的形成機制，建立流動液橋結構與流場預測模型，可實現螺旋液橋降液過程的精準調控[83]。毫米和微米尺度的螺旋液橋流動過程均已被證明可通過簡單的螺線尺寸調節實現。研究發現，螺旋液橋可以有效構成限域流動，氣液兩相直接接觸且逆向流動，從而有應用于微尺度下不同的氣液傳質與反應過程的可能性。進一步開發螺旋型氣液逆向流動微反應器是未來微化工氣液流動控制技術的發展方向。

圖17 螺旋液橋流動形式示意圖

4 結語

微化工技術在二十多年的發展中體現了其在氣液、液液、氣液固等多相體系中的顯著優勢，并在醫藥、能源、環保和有機合成等領域有著廣闊應用前景。微化工過程由于在高效、安全、節能、體積縮小和高傳熱傳質率等方面的固有優勢，可以彌補在宏觀尺度下強放熱的氣液反應的局部熱點和流動不均勻等問題。針對目前微化工氣液反應在流動形態、傳質模型和反應器設計等方面的研究，仍有許多工作有待深入進行。

（1）由于微通道內氣液兩相流型受微通道尺寸、氣液兩相性質、材料表面性質等多重因素影響，兩相流型分布也僅限于所測定的應用條件，不具有普適性。有待開發一種基于多參數（氣液兩相物性、微通道尺寸和材料等）的氣液兩相流型分布模型，以預測在不同條件下氣液兩相在通道內的流動狀態。

（2）氣液兩相傳質過程的強化方式目前有增加外場或納米顆粒等主動強化方式，也有以微通道形貌和性質的改變間接影響傳質過程的被動強化方式，對比于宏觀尺度下的傳質過程強化途徑，微通道內的過程強化方式仍有待開發。

（3）氣液兩相微反應器中逆流式微反應器目前研究較少，其局限性在于如何在狹窄的通道內形成較好的氣液逆流形式。宏觀尺度下多樣的降膜反應器有可能為開發新型逆流式微反應器提供潛在參考。

（4）目前微化工技術的放大方法以數量放大為主，結合宏觀尺度下尺寸放大等方法，通過數值模擬等手段輔助放大微反應器尺寸，實現微化工技術工業化生產同樣具有廣闊前景。

符號說明

dc—— 微通道直徑，m

dh—— 水力直徑，m

E—— 增強因子

kL—— 液相體積傳質系數，m/s

kL,cap—— 氣泡端部液相體積傳質系數，m/s

kL,film—— 液膜處液相體積傳質系數，m/s

kov—— 總反應速率，s-1

kp—— CO2在水中吸收過程的傳質系數，m/s

Lfilm—— 氣泡周長，m

l—— 微通道的長度，m

ΔPF—— 兩相摩擦壓降，Pa

Qfilm—— 液體沿壁面向下體積，m3/s

QL—— 液體流速，m3/s

t—— 傳質時間，s

U—— 表觀速度，m/s

V—— 液體體積，m3

Vb—— 氣泡上升速度，m/s

ε—— 能量消耗，kW/m3

μ—— 動力黏度，Pa·s

ρ—— 密度，kg/m3

下角標

cap—— 氣泡端部

film—— 液膜

G—— 氣體

in—— 入口

L—— 液體

mr—— 微反應器

out—— 出口

TP—— 兩相