WYMIANA MASY W PRZEPŁYWI E GAZ

P RA CE N A U KOWE IN ŻYNIER II C HE M IC Z NE J I P R OC E S OWE J
POLITEC HNIKI WAR S Z AWS KIE J
T. XXXVII, z. 1
2014
Paweł Sobieszuk
Wydział Inżynierii Chemicznej i Procesowej
WYMIANA MASY W PRZEPŁYWIE GAZ-CIECZ
W MIKROREAKTORACH
Rękopis dostarczono 23.06.2014 r.
Mikroreaktory są nowymi, coraz częściej stosowanymi, aparatami, których rozmiar charakterystyczny zawiera się w przedziale od 10 μm do 1 mm. Mikroreaktory charakteryzują się trzema podstawowymi zaletami, tj. dużym stosunkiem powierzchni do objętości, wysokimi wartościami gradientów stężeń i temperatury oraz możliwością pracy niewielkimi objętościami mediów. Zwłaszcza
pierwsza z wymienionych zalet mikroreaktorów sprawia, że są one często stosowane w układach
heterofazowych. W badaniach skupiono się na mikroreaktorach z przepływem gaz-ciecz, które dzielą się na aparaty z kanałami zamkniętymi i otwartymi. W obu typach aparatów omówiono elementy ich hydrodynamiki ze szczególnym uwzględnieniem tych aspektów hydrodynamicznych, które
najbardziej wpływają na efektywność transportu masy. Główną część pracy poświęcono analizie
procesów wymiany masy w przepływie gaz-ciecz w mikroreaktorach.
W mikrokanałach zamkniętych z przepływem Taylora gaz-ciecz wyznaczono wartości współczynników wnikania masy w obu fazach. Omówiono udziały oporów po stronie gazu i cieczy
w przepływie Taylora w zależności od rozpuszczalności gazów oraz szybkości reakcji chemicznej
w fazie ciekłej i stwierdzono zdecydowaną przewagę oporów wnikania masy po stronie cieczy.
Uzyskano zbliżone wartości powierzchni międzyfazowej wyznaczone metodą fotograficzną oraz
chemiczną Danckwertsa. Potwierdzono także, że w mikroreaktorach uzyskuje się bardzo wysokie
wartości powierzchni międzyfazowej. Są one rzędu 10000 m2/m3.
Przeprowadzono symulacje wymiany masy w przepływie Taylora zakładając dyfuzyjny i konwekcyjny ruch fazy ciekłej. Analiza porównania wyników symulacji z wynikami doświadczalnymi
wykazała poprawność założenia występowania obu mechanizmów transportu masy. Wybrane wyniki
uzyskane dla układów gaz-ciecz odniesiono również do układów ciecz-ciecz. Ostatecznie zaproponowano metodę zastosowania mikroreaktora z kanałami zamkniętymi do wyznaczenia stałej Henry’ego.
Dla mikrokanałów otwartych z przepływem gaz-ciecz wykazano, że korelacje do obliczania
współczynników wnikania masy w spływie cieczy po płaskiej ścianie nie powinny być stosowane
w mikroreaktorach ze spływającą warstewką cieczy. Wyznaczono doświadczalnie wartości współczynników wnikania masy w obu fazach i wykazano, że w określonych warunkach prowadzenia
procesu, opory wnikania w obu fazach mogą być porównywalne. Przeprowadzono także badania
dotyczące możliwości występowania efektu konwekcji komórkowej w mikroreaktorze ze spływają-
4
Oznaczenia
cą warstewką cieczy. W wyniku tych badań stwierdzono występowanie efektu Marangoniego w warunkach pracy badanego mikroreaktora.
Wszystkie, przedstawione w pracy, uzyskane wyniki doświadczalne i teoretyczne wskazują na
bardzo ważny element, a mianowicie intensyfikację wymiany masy w mikroreaktorach z przepływem gaz-ciecz.
Słowa kluczowe: mikroreaktor, przepływ heterofazowy, wymiana masy
OZNACZENIA – SYMBOLS
a
– właściwa powierzchnia międzyfazowa, m–1
interfacial area per unit volume
aD – właściwa powierzchnia międzyfazowa zmierzona metodą Danckwertsa, m–1
interfacial area per unit volume measured by Danckwerts’ method
aT – całkowita właściwa powierzchnia międzyfazowa zmierzona metodą fotograficzną, m–1
total interfacial area per unit volume measured by photographic method
b
– współczynnik stechiometryczy
stoichiometric coefficient
bjon – udział jonu w korelacji (5.15), m3 · kmol–1
contribution of ion in correlation (5.15)
CLM – czynnik Lockharta-Martinellego
Lockhart-Martinelli factor
C – stężenie bezwymiarowe
dimensionless concentration
c
– stężenie molowe, mol · m–3, kmol · m–3
concentration
c** – stężenie nasycenia, mol · m–3, kmol · m–3
saturation concentration
cG1 – stężenie molowe w gazie w strumieniu wlotowym do mikrokanału, kmol · m–3, mol · m–3
molar concentration at gas inlet
cG2 – stężenie molowe w gazie w strumieniu wylotowym z mikrokanału, kmol · m–3, mol · m–3
molar concentration at gas outlet
ci
– stężenie molowe na powierzchni międzyfazowej, kmol · m–3, mol · m–3
molar concentration at the interface
ci1 – stężenie molowe na powierzchni międzyfazowej w strumieniu wlotowym do mikrokanału,
kmol · m–3, mol · m–3
molar concentration at the interface at the gas inlet
ci2 – stężenie molowe na powierzchni międzyfazowej w strumieniu wylotowym z mikrokanału,
kmol · m–3, mol · m–3
molar concentration at the interface at the gas outlet
cClO – stężenie jonu podchlorynowego, kmol · m–3, mol · m–3
hypochlorite ion concentration
cr – równowagowe stężenie CO2 w roztworze buforowym, kmol · m–3, mol · m–3
equilibrium molar concentration of CO2 in the buffer
crozp – rozpuszczalność, kmol · m–3, mol · m–3
solubility
138
Summary
MASS TRANSFER IN GAS-LIQUID FLOW IN MICROREACTORS
Summary
Microreactors are new, more and more often used, apparatus, whose characteristic size is in the
range of 10 μm to 1 mm. They are characterized by three main advantages: a high ratio of interfacial
area to volume, high values of temperature and concentration gradients and the ability to work small
volumes of media. In particular, the first of these advantages frequently allows to use microreactors in heterogeneous systems. The study focused on microreactors with gas-liquid flow, which are
divided into apparatus with open or closed channels. In both types of microreactors, elements of
hydrodynamics were discussed with particular emphasis on these aspects of hydrodynamics that affect the efficiency of mass transport most. The main part of the work was devoted to the discussion
of mass transfer processes in gas-liquid flow in microreactors.
In microchannels with the gas-liquid Taylor flow, the values of mass transfer coefficients in both
phases were determined. The influence of gas solubility and chemical reaction rate on contribution
of mass transfer resistance in both phases was discussed. A major advantage of the resistance of
mass transfer liquid-side was stated. Similar values of the interface area determined by photographic
and chemical Danckwerts’ method were obtained. It was also confirmed that a high value of interfacial area of the order of 10000 m2/m3 is observed in microreactors.
Simulations of mass transfer in Taylor flow assuming diffusion and convective mechanism of
the liquid phase motion were carried out. A comparison of the simulation results with experimental
results demonstrated the correctness of assumptions of the occurrence of both mass transfer mechanisms. Some results obtained for gas-liquid systems also referenced liquid-liquid systems. Finally,
a method of using a microreactor with closed channels to find Henry’s constant value was proposed.
In open microchannels with gas-liquid flow, it was indicated that the correlations for the calculation of mass transfer coefficients in liquid flow on vertical plate should not be used in a falling film
microreactor (FFMR). The values of mass transfer coefficients in both phases were experimentally
determined. It was pointed out that depending on process conditions, the resistance of mass transfer
in both phases may be comparable. The possibilities of occurrence of cellular convection effect in
the falling film microreactor were also investigated. The existence of the Marangoni effect in our
microreactor was observed.
All findings presented in the work show that intensification of mass transfer in microreactors
with gas-liquid flow is observed.
Key words: microreactor, heterogeneous flow, mass transfer