气-液-液三相微尺度分散机制与模型化研究

气-液-液三相体系在化工过程中占有重要的地位，微化工系统已经成为多相反应、分离过程强化的重要手段之一,目前针对微米尺度气-液-液三相体系的研究工作刚刚起步，对其开展基础研究具有重要的理论意义和创新价值。本项目以探索微尺度条件下作用力对于气-液-液三相微尺度分散过程的作用机制为核心，考察微尺度下气-液-液三相流型演变规律，探索微液滴、微气泡的形成机理，认识微液滴、微气泡分散尺寸和微尺度特征参数间的定量关系，建立三相微尺度分散过程的数学模型。研究设计和优化基于毛细管嵌入技术的新型微流控设备，通过控制基本力的作用方式提出新型液滴、气泡分散方法，发展基于高速显微摄像、激光诱导荧光和激光粒子测速技术的新型微测试技术，建立三相微尺度分散过程的计算流体力学模型，实现对三相微尺度分散机理的深入认识和分散过程的可控调节，为丰富微尺度多相流动基本理论，发展新一代微化工技术装备提供基础。

本项目针对“气液液三相微尺度分散体系流型演变规律”、“微液滴、微气泡形成机制”、“微液滴、微气泡分散尺寸调控规律”三个关键科学问题开展研究工作，取得的主要创新性成果有：（1）系统研究了双T型、十字型、双同轴型等微通道内液滴气泡分散流、气液液分层流以及气液液双重乳液等三相微流体形成机制，发现了多种三相流型并对其稳定机制进行了分析；（2）针对气液液三相之间惯性力、粘性力和界面张力的作用关系定义了改进的We数、Ca数等无因次数群，建立了计算液滴气泡分散尺寸的数学模型；（3）提出了带有界面重分布函数的Shan-Chen LBM多组分模型，丰富了多相微流动过程的模拟手段；（4）提出了新型双同轴型微通道设备、基于温度诱导相变和传质诱导相变的新型微分散方法，丰富了微分散技术手段；（5）将气液液三相微流体基本理论初步应用于微萃取和反应强化过程中取得了良好的效果，包括：提出了基于气液液双重乳液的传质强化手段、基于微气泡的贝克曼重排反应强化策略和用于水溶液中溴离子回收的反应分离耦合新工艺等。项目执行期间共发表学术论文14篇，其中SCI收录论文9篇，EI收录论文6篇，封面论文2篇；绝大部分成果发表在Lab on a Chip, AIChE Journal, Chemical Engineering Science, Physical Review E, Microfluidics and Nanofluidics等化学、化工、物理领域权威期刊上；申请中国发明专利5项，其中2项获授权；参加国际学术交流2人次；项目培养（含联合培养）博士研究生3人，硕士研究生3人，其中1人获清华大学优秀博士论文奖，1人获清华大学优秀硕士论文奖；项目负责人以第4完成人获2012年国家技术发明二等奖。