基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法

1.本发明涉及传质系数技术领域，具体的说，是一种基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法。


背景技术：

2.微反应技术起源于20世纪90年代，21世纪初叶是微反应技术的快速发展期。大量研究均表明，对于受传递或混合控制的化学反应过程，微反应器具有显著地强化效果。对于气-液多相反应体系而言，气-液相间传递阻力往往是决定整体反应速率的关键步骤，为了合理设计这种微化学反应器，必须先研究与微通道内传递和反应过程特性相关的基本问题，由于气液界面面积难以界定，单纯测量传质系数比较困难，因此测量气液体积传质系数相对而言更具意义和实用价值。
3.现有测量总传质系数的方法主要有物理法和化学法，化学吸收法通常采用eda-co2，meda-co2，na2co
3-nahco
3-co2等体系，但是大多需要大型精密设备检测液体中的离子溶度，价格昂贵，且测试过程复杂，例如在meda-co2体系下通过红外离子色谱测量化学吸收后的离子浓度进而测量co2的传质通量，最终确定总传质系数。在na2co
3-nahco
3-co2体系下通过离子色谱测量化学吸收后的碳酸根离子的浓度来确定总传质系数，但现有的离子色谱普遍使用碳酸钠作为标定液，在测量碳酸根离子浓度时会存在一定的测量偏差。
4.除此之外也有通过高速摄像机直接监测气体传质情况来计算总传质系数，但这不仅使用高速摄像机，以及强大的数据统计分析能力，如使用高速摄像机图像法测量总传质系数，不仅需要大量处理拍照数据，同时还限制微反应器必须透明，这便极大限制其应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法。
6.本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
7.一种基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法，
8.采用二氧化碳和碳酸钠溶液作为测量微反应器总传质系数的气液两相体系，二氧化碳和碳酸钠溶液两相流经微反应器混合后，使用ph计测量通过微反应器前后碳酸钠溶液的ph值，通过ph值可计算得到氢氧根浓度的变化量，再由氢氧根浓度变化量计算得到通过微反应器后二氧化碳的浓度变化和二氧化碳气体传质通量，最后根据传质公式计算得出微反应器的总传质系数。
9.针对二氧化碳和碳酸钠溶液体系，根据气液传质原理，气液总传质系数k
l
a按下式计算：
10.其中，c*表示气液界面的co2摩尔浓度c
*
＝h
·
p
co2
，单位mol/l；室温时，h＝0.000000336mol/(l
·
pa)；c0表示混合区域入口处溶液内二氧化碳摩尔浓度，单位mol/l；
表示二氧化碳传质通量，单位mol/(l
·
s)；ha表示反应速率与扩散速率之比，无量纲数；混合区域溶液内二氧化碳的浓度通过ph计进行测量。
11.二氧化碳传质通量其中表示混合后溶液中二氧化碳的浓度变化，单位mol/l；q
l
表示液体流量，单位ml/min；v表示微反应器体积，单位m3。
12.反应速率与扩散速率的比值其中，k
′
表示为伪一阶反应速率常数，单位s-1
；d
co2
表示二氧化碳扩散速率，单位m2/s；k
l
为液相传质系数，单位m/s；在微反应器中对于碳酸钠、二氧化碳体系微反应器中一般k1范围为40-3000*10-5
s-1
；对于碳酸钠溶液-二氧化碳体系，溶液ph小于12，其k
′
小于1.8s-1
，ha＜0.15，则取
13.微反应器内碳酸钠溶液吸收二氧化碳所涉及的反应方程式：
14.碳酸钠完全电离碳酸根第一步水解碳酸根第二步水解
15.碱性溶液吸收二氧化碳第一步反应第二步反应
16.在碳酸钠溶液中，总吸收反应方程式：
17.碳酸钠第一步水解程度远大于第二步水解程度，因此，可忽略第二部水解，根据碳酸钠水解平衡常数k1得出碳酸钠溶液中和的浓度，且
18.根据ph计测量混合前碳酸钠溶液为ph0，计算得出碳酸钠溶液中oh-的浓度c(oh-)0＝10
(ph0-14)
，根据ph计测量混合后碳酸钠溶液的ph为ph1，计算得出混合后碳酸钠溶液中oh-的浓度c(oh-)1＝10
(ph1-14)
。
19.室温条件下，上述碳酸钠水解平衡常数k1与温度相关。上述碱性溶液吸收二氧化碳反应平衡常数
[0020][0021]
log
10
k2＝log
10
k20 1.01[na

]
1/2
/(1 1.27[na

]
1/2
) 0.125[na

]，
[0022]
log
10
k20＝1568.94/t 0.4134-0.006737t。联立得
[0023]
其中，[na

]表示溶液中钠离子浓度，单位mol/l；t表示反应温度，单位k。
[0024]
假设在碱溶液吸收co2过程中，反应第一步消耗的co2为y1mol，则此过程消耗oh-同样为y1mol，反应第二步消耗的oh-为y
2 mol，则存在：
[0025]
y1 y2＝(c(oh-)
0-c(oh-)1)v。
[0026]
则上述碱性溶液吸收二氧化碳反应平衡常数
[0027][0028]
混合后吸收到溶液主体的co2，几乎全部发生反应转变成了碳酸根或碳酸氢根离子，因此有
[0029][0030]
将氢氧根浓度c(oh-)、转化为ph值，联立上述公式与传质通量定义式得到对于碳酸钠、二氧化碳体系的微反应器气液总传质系数计算公式：
[0031][0032]
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
[0033]
与现有测量微反应器总传质系数的方法相比，该方法更便捷，测量成本低，无需使用色谱仪等大型设备，测量时间从小时级缩短至0.5～2min。上述方法可用于评价微反应器的气液传质效果，基于评价结果还可以指导微反应器流道结构设计的优化，更好地强化气液传质。
附图说明
[0034]
图1为一种气液剪切形式的微通道反应器i结构示意图，其中通道横截面积为0.5x1mm2，通道长度48mm；
[0035]
图1a为微通道反应器i混合区域通道横截面示意图；
[0036]
图2为微反应器的气液总传质系数测量流程图；
[0037]
图3为选用本文中二氧化碳、碳酸钠溶液体系测量微通道反应器i结构的气液总传质系数；
[0038]
图4为选用本文中二氧化碳、碳酸钠溶液体系分别使用ph计和离子色谱测量微通道反应器i结构的气液总传质系数。
具体实施方式
[0039]
以下提供本发明一种基于化学体系便捷测量微反应器气液总传质系数的方法的具体实施方式。
[0040]
实施例1
[0041]
下面结合实施例对本发明做进一步说明。
[0042]
在不同操作条件下，即不同的气体、液体流量，测量微反应器的气液总传质系数。
[0043]
选择一种气液剪切形式的微通道反应器i，该微反应器的结构示意图如图1所示，其中混合区域通道长度48mm，通道截面积1x1mm2。
[0044]
实施例1：选择去二氧化碳、碳酸钠溶液体系测量微通道反应器i的气液总传质系数。
[0045]
在室温条件下，配置0.1m碳酸钠溶液，使用恒流泵以不同的流量向微反应器输送碳酸钠溶液，同时用气体流量控制器以的流量向微反应器i输送二氧化碳，通过压力传感器记录实时压力p
co2
，气液混合后，取每次混合后的液体20ml；通过ph计记录通过微反应器前
后碳酸钠溶液的ph值，将测量的ph值和平均压力代入微反应器气液总传质系数计算公式：
[0046][0047]
其中q
l
为碳酸钠溶液流量，v为微反应器体积，，
[0048]
k1＝102·
(ph0-14)
/[c(na2co3)-10
(ph0-14)
]，
[0049]
计算测得该微反应器的气液总传质系数，实验结果如图3所示。
[0050]
对比例：选择碳酸钠溶液、二氧化碳体系，使用离子色谱测量微通道反应器i的气液总传质系数。
[0051]
在室温条件下，配置0.1m碳酸钠溶液，分别使用恒流泵和气体流量控制器以与实施例1相同的气体、液体流量向微反应器i输送二氧化碳，通过压力传感器记录实时压力气液混合后，使用离子色谱分析溶液内的碳酸根和碳酸根的总量，通过计算通过微反应器前后溶液内碳酸根与碳酸氢根总量的差值，得出溶液所吸收二氧化碳的浓度将结果代入气液总传质系数计算公式和二氧化碳传质通量公式：其中，c0＝0，v为微反应器体积，q
l
为碳酸钠溶液流量，测得该微反应器的气液总传质系数，实验结果如图4所示。
[0052]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围内。