金屬套管式微反應(yīng)器氣液傳質(zhì)性能研究.pdf

1、自上世紀(jì)90年代，微化工技術(shù)得到了各國研究者的普遍關(guān)注，其發(fā)展呈現(xiàn)出蓬勃增長態(tài)勢。氣-液微反應(yīng)系統(tǒng)作為微化工技術(shù)的重要組成部分，其關(guān)鍵部件是氣-液微反應(yīng)器。與常規(guī)氣-液接觸器相比，微接觸器體積更小，傳質(zhì)性能更好，安全性強，在氣體吸收、直接氟化、氣-液-固三相加氫反應(yīng)等多種領(lǐng)域已顯示出巨大的應(yīng)用潛力。然而，其處理量小，工業(yè)化應(yīng)用至今依然面臨巨大的挑戰(zhàn)。鑒于此，本工作利用自行設(shè)計并研制的高通量金屬套管式微反應(yīng)器為平臺，將其應(yīng)用于氣-液接觸過

2、程。本論文選擇典型的、具有重大應(yīng)用背景的CO2捕集過程為研究對象，通過對其物理與化學(xué)吸收過程中液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)(kLα)與傳質(zhì)界面面積(α)的實驗和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型研究，揭示了其氣液傳質(zhì)機制。全文的主要研究成果與創(chuàng)新點如下：
　　 1、金屬套管式微反應(yīng)器的液側(cè)體積傳質(zhì)系數(shù)較傳統(tǒng)氣液反應(yīng)器高出1～2個數(shù)量級，且其傳質(zhì)界面面積高達2.2×105m2/m3，明顯高于單一微通道反應(yīng)器與傳統(tǒng)氣液反應(yīng)器；其處理量(氣相最大為500L/h，液相最

3、大為43.31L/h)為典型單一微通道反應(yīng)器(深400μm，寬500μm)的60倍。
　　 2、基于CO2-H2O物理吸收體系，推算了金屬套管式微反應(yīng)器的kLα，并考察了操作條件的影響。結(jié)果表明：液體線速率(uL)增加，kLα顯著提高；同一uL下，kLα隨氣體線速度(uG)的增加而增加。此外，金屬套管式微反應(yīng)器的環(huán)隙大小和微孔尺寸對物理吸收過程有明顯影響。隨著雷諾數(shù)的增加，金屬套管式微反應(yīng)器的吸收率與線型微通道相當(dāng)，但處理量顯著

4、提高。
　　 3、采用NaOH-CO2化學(xué)吸收為模型體系，推算了金屬套管式微反應(yīng)器的α。結(jié)果表明，在相同uL下實驗測得的α值隨uG的增加而增加，而uL細微增加將引起α較大的增加。微孔當(dāng)量直徑越小，α值越大；而環(huán)隙尺寸越大，α值越小。借助于Na2CO3/NaHCO3-CO2化學(xué)吸收體系，進一步探索了金屬套管式微反應(yīng)器內(nèi)同時存在傳質(zhì)與反應(yīng)時kLa的變化規(guī)律，結(jié)果與物理吸收過程一致。
　　 4、基于實驗研究，首次采用人工神經(jīng)網(wǎng)

5、絡(luò)模型預(yù)測金屬套管式微反應(yīng)器的界面面積。最終訓(xùn)練的模型拓撲結(jié)構(gòu)是雙輸入單輸出的2-3-5-1，隱含層與輸出層的傳遞函數(shù)是Levenberg-Marquardt函數(shù)。模型結(jié)果表明，ReL，ReG與α之間存在非線性關(guān)系，平均相對誤差僅為4.67％，預(yù)測結(jié)果和實驗結(jié)果吻合良好，可為今后反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。
　　 上述研究結(jié)果表明，此金屬套管式微反應(yīng)器不僅具有優(yōu)異的氣液傳質(zhì)性能，還具有滿足實際工業(yè)需求的高處理量，因此，其在氣液