微气泡强化极端相比液/液相间传质过程的基础研究

Liquid/liquid extraction with high phase ratios have shown broad application potential for separation and reaction processes. The introduction of microbubbles and the formation of gas/liquid/liquid microdispersion systems in particular have been shown to significantly affect high phase ratio liquid/liquid extraction process intensification. Fundamental research on the mass transfer characteristics of gas/liquid/liquid microdispersion systems is important for the development of novel technology and devices for liquid/liquid extraction. In this project, microbubble induces process intensification of high phase ratio liquid/liquid extraction processes is investigated. Two membrane microdispersion modules are used to form gas/liquid/liquid dispersion systems, the structure and size of which are adjusted according to the system requirements and operating conditions. The influence of structure, chemical components, mass-transfer direction and operating conditions on the liquid/liquid mass transfer process are investigated and mathematical and physical models are developed to characterize the liquid/liquid mass transfer characteristics in an effort to better understand the mass-transfer mechanism, successfully achieve liquid/liquid extraction process intensification, and develop an efficient liquid/liquid mass transfer device. This study aims to investigate the mass-transfer characteristics of different gas/liquid/liquid microdispersion systems and enrich the current fundamental research on the fluid and transmission process mechanics of multiphase microdispersion systems, as well as advance multiphase microdipersion technology and the development of efficient mass-transfer devices.

伴随极端相比的液/液相间传质过程在众多化工过程中均有重要应用，引入微米级气泡群，构建气/液/液微分散体系，对强化极端相比的液/液传质过程有显著效果。进行相关的基础研究对发展高效率、低能耗的新型气/液/液分散技术和传质设备具有重要的战略意义。本课题以微气泡群强化极端相比液/液相间传质过程为研究对象，以多级膜分散设备实现结构、尺寸可调控的气/液/液微分散体系的构建，并在此基础上系统研究考察气/液/液微分散体系的结构、组成、传质方向和操作条件对液/液相间传质性能影响，分析各因素影响传质过程的作用方式，建立预测微气泡群作用下的液/液相间传质性能的数学和物理模型，并进一步分析传质过程的内在机理，实现液/液相间传质过程强化，发展高效液/液传质设备。研究目的旨在探讨气/液/液体系的微分散和传质基本规律，丰富微尺度条件下多相流动和传递过程的基本理论，为发展新型高效的多相流分散技术和高效传质设备提供基础。

极端相比萃取过程在化学工业中有广泛的应用，如己内酰胺萃取、磷酸净化、石油重整过程，等等。在极端相比下，萃取过程的设备成本和操作成本都显著增大。本项目所提出的“引入微分散气泡于极端相比液-液体系中，以提高极端相比液-液萃取过程的传质效率”的方法，对强化极端相比液-液萃取过程，提高化学工业的生产效率，促进化学工业的发展，具有潜在的优势。.本项目以绿色、高效地实现极端相比萃取过程的强化为目标，重点从理论和实验两方面论证了微尺度条件下多相分散体系结构变化、分散尺寸调控与传递基本规律及其内在机理。.首先，基于Fick定律分析了极端相比液-液萃取过程的传质过程机理，结果表明：对于极端相比萃取过程，以相含率较高的一相作为分散相时，有助于更高效地实现传质过程；分散尺寸的减小有助于从增大传质系数和增大传质比表面积两方面共同作用于传质过程的强化。进而，针对极端相比液/液萃取过程的特点，设计了三种不同的气泡引入模式：G-O/W，G/O/W和G/W/O模式，并分别建立数学和物理模型，对传质过程进行了计算。计算结果表明，所设计的三种模式中，G/W/O模式可从增大总传质系数和提高传质比表面积两方面共同促进总体积传质系数的增大，同时更有助于构成稳定的气/液/液体系，具有更大的操作可行性；对于不同的气泡引入模式，传质微单元体积的减小均有助于总体积传质系数的增大。.在理论分析的基础上，设计不同结构的膜分散以及双重膜分散装置，实现了尺寸和结构可调控的液/液微分散体系和气/液/液微分散体系的制备，并以此研究了微分散气泡引入前后的极端相比液/液体系的传质规律。研究结果表明，对于极端相比液/液体系，传质效率低下。其中，将相含率高的一相作为操作过程中的分散相，可得更高的传质效率；分散尺寸的减小也得以有效促进传质效率的提高，与理论计算结果吻合良好。对不同气泡引入方式下的传质效果的研究表明，G/W/O模式对于促进极端相比液/液萃取过程具有最优效果，其传质微单元结构也是所构建的气/液/液微结构中最稳定的一种，具有更良好的实际应用前景。将实验结果与理论计算结果进行了对比，二者符合良好。对引入微气泡前后的设备尺寸进行了核算，结果表明，微分散气泡的引入对于实现高效的极端相比萃取过程具有显著的促进作用。.本项目建立了多相微分散体系传递过程的基本理论和数学模型，发展了高效微分散分离设备，为新一代微化工过程的发展提供了基础。