三维螺旋状非对称板式微通道对液-液两相分离的过程强化作用

Asymmetric Plate-type Microchannel (APMC) is a kind of micro-chemical device to separate two immiscible liquid-liquid phases with surface force, with merits of small size, low energy consumption, and environmental compatibility. The linear APMC can de-emulsify a polydisperse emulsion with 30 μm Sauter diameter in seconds. In order to enhance the separation efficiency of APMC for emulsions with small droplets, this project proposes a new type of APMC with a three-dimensional spiral channel. In this channel, the coalescence of droplets would be improved in the powerful swirling flow field due to the miniaturization of inertial movement. Based on the Dean-coupled inertial migration principle, this will further strengthen the "confined coalescence" action of the APMC, consequently enhancing the coalescence of small droplets and intensifying the liquid-liquid separation process. In this project, we will mainly investigate the relationship between liquid-liquid separation efficiency and microchannel structure and process operating parameters, and determine the effect on droplet size of various microchannels with different structures and dimensions. Finally we will propose a reasonable design for three-dimensional spiral APMC. A simulation will also be performed based on the above experimental results, to describe and characterize the movement of droplets in three-dimensional spiral APMC. This project will provide basic theoretical data for the liquid-liquid two-phase flow and separation process in the microchannel.

非对称板式微通道是一种利用表面力促进液-液两相介稳体系分离的微化工设备，具有环保、高效、低能耗、占地少、无二次污染的优点。现有的直线型非对称微通道可以有效分离粒径30 μm以上的液滴。为了进一步增强非对称微通道的液-液两相分离能力，降低其分割粒度，本项目设计了由多个弧线形非对称板式平面叠加构成的三维螺旋状非对称通道，利用微型化流道中流体惯性运动产生的强大旋流场，基于Dean涡流耦合的液滴惯性迁移机理，进一步提升非对称微通道的“限制流聚并”作用，增加小液滴的聚并几率，强化液液两相分离过程。本项目将主要研究微通道的结构和操作参数与液液两相分离效率之间的宏观规律，获取不同流动条件下液滴大小随通道结构和尺寸的变化规律，提出一种合理的三维螺旋状非对称微通道的优化设计方案，并以实验数据为基础模拟液滴在该微通道中的运动特性和规律，为微通道中液液两相流动及其分离过程提供基础理论数据。

液液两相分离是重要的工业操作过程，非对称板式微通道是一种利用表面力促进液-液两相介稳体系分离的微化工设备，具有环保、高效、低能耗、占地少、无二次污染的优点。现有的直线型非对称微通道可以有效分离粒径30 μm以上的液滴。为了进一步增强非对称微通道的液-液两相分离能力，降低其切割粒度，本项目构建并优化设计了由多个弧线形非对称板式平面叠加构成的三维螺旋状非对称通道（3D-SAPMC），利用微型化流道中流体惯性运动产生的强大旋流场，基于Dean涡流耦合的液滴惯性迁移机理，进一步提升非对称微通道的“限制流聚并”作用，增加小液滴的聚并几率，强化液液两相分离过程。本项目以高速剪切方法制备出水包油和油包水目标乳状液，利用三维螺旋状非对称通道（3D-SAPMC）和三维加电螺旋状微通道（3D-ESPMC）进行了油水分离实验，考察了螺旋状通道的弧度、通道高度/深度、水力直径等通道结构参数对分离效率的影响，优化了螺旋形通道的设计；考察了液体流速、停留时间，以及毛细管数Ca、雷诺数Re、De数等流体力学参数对螺旋状微通道的分离效率的影响，获取最佳的操作参数；考察了乳状液油水比、液滴粒径、乳化剂含量、乳化剂类型等乳状液物性参数对分离效率的影响，获取微通道的分离特性。实验结果表明：降低通道高度和弧度，减小水力直径，提升接触时间，并控制液体流速实现合适的Re和De准数时，螺旋状微通道对液液两相分离过程的强化作用增强；微通道对含油率高、粒径较大的乳状液分离效果更好，在Dean涡流作用下，微通道的切割粒径为4.5 μm左右，分离能力较平板式微通道有较大提升。实验设计了可视化非对称板式微通道研究了乳状液中液滴在微通道中的流动情况，发现液滴会在表面润湿作用力下吸附于通道壁面并聚并，同时导致限制流促进液滴的进一步聚并和两相分离，提出了“液滴吸附—聚并—相分离”的限制聚并分离机理。本研究结果对于螺旋状微通道在液液两相分离领域的应用有着理论指导意义，并为复杂微通道内液液两相流动研究提供了重要的实验数据。