微通道內液-液兩相流研究進展

唐 靜，張旭斌，蔡旺鋒，陳 丹，王富民

（天津大學化工學院，天津 300072）

微化工技術作為化工過程強化的一種新技術，因其具有體積小、低能耗、高效率、安全性好等優點[1-2]，逐漸應用在化工、能源、環境、材料、醫藥等領域。由于微尺度效應，使得微化工系統中的流動、傳遞規律以及反應特性較傳統化工系統發生了變化，國內外許多科研工作者對微化工技術進行了研究，尤其對微化工系統中的單相流和多相流行為進行了較深入的研究[3]。

由于液-液兩相流的復雜性和微化工尺度效應，采用常規尺度理論不能預測微化工系統中的流型轉變和傳質過程。眾多研究結果表明，微通道中液-液兩相間的傳遞性能因微通道特征尺度的微細化而相比常規系統有較大提高[4]，而化工過程又是流體流動、傳遞和反應的相互耦合的過程，耦合過程決定了整體效率，因此為強化液-液兩相間的混合、傳遞過程，以及提高反應性能，需對微通道中液-液兩相流型、傳遞過程現象和機理進行深入的研究和發展。本文作者將以液-液兩相體系為對象，系統介紹近年來微通道中液-液兩相流體流動、傳質行為以及應用的最新進展。

1 微通道內液-液兩相流型及流型圖譜

1.1 微通道內液-液兩相流型

在微通道內液-液兩相流研究中，常見的流型有液滴流、彈狀流、平行流和環形流等。Zhao等[7]以煤油-水為研究體系，對微通道內油水兩相流型進行了實驗研究。在T 形交叉點處觀察到了彈狀流、單分散滴狀流、液滴群流、具有光滑界面的平行流、界面處有旋渦存在的平行流、不規則薄條紋流6 種流型；在流動充分發展區域觀察到了彈狀流、單分散滴狀流、液滴群流、平行流、環狀流5 種流型，實驗流型如圖1和圖2所示。Jovanovic等[8]在毛細管微通道中發現了4 種穩定的流型，并考察了毛細管長度、流率及兩相流量比對流型的影響以及流型對萃取性能的影響。Shao等[9]在實驗中觀察到了雙乳W/O/W 流型，并分析了傳質過程對流型的影響。另外，Sarkar等[10]在彎曲的玻璃微通道中對液-液兩相流進行了研究，觀察到了7 種流型，并繪制了不同條件下的流型圖。此外，眾多研究者利用各種工作體系與不同結構、內徑的微通道，通過改變液-液兩相的流量，研究微通道中液-液兩相流的流型，其中觀察到的穩定流型主要有液滴流、彈狀流和平行流3 種[11-14]。

圖1 T 形交叉點處的流型

圖2 微通道內穩定流動狀態下的流型

1.2 影響微通道內液-液兩相流型的因素

研究發現，影響微通道內液-液兩相流型的主要因素有：兩液相流量，流體物理性質（界面張力、黏度等），微通道壁面潤濕性、尺寸、入口結構等[14-15]。下文將闡述這些主要因素對流型的影響。

（1）兩液相流量 在流量較小時，易生成液滴流和彈狀流，隨著流量的增大，平行流、環形流等流型易生成[16]。當流型為液滴流或彈狀流時，分散相流量不變，連續相流量增加時，液滴直徑或液柱長度減小；連續相流量不變時，隨分散相流量增加，液柱長度增大，液滴直徑增大[17]或變化不大[14，18]。

（2）界面張力 研究表明，相間界面張力是控制液-液兩相流型轉變的重要因素，界面張力越大，兩相越易生成液滴流和彈狀流，反之，越易生成平行流和環形流[7]。

（3）黏度 在形成液滴流和彈狀流時，分散相黏度越大，生成的分散相直徑或液柱長度越大；但是，連續相黏度的增大將導致分散相尺寸減小[13，18]。

（4）壁面潤濕性 壁面潤濕性對微通道內液-液兩相流的流型有重要影響，通道壁面只有更親連續相、分散相液滴或液柱才能形成[19]。在形成液滴流和彈狀流時，通道壁對分散相的潤濕性能越大（接觸角越小），分散相液滴或液柱受到壁面的黏附力也就越大，分散相液滴或液柱從通道壁脫落所需的時間就越長。Zhao等[20]通過考察壁面性質對流體流動特性和傳質性能的影響，發現壁面改性前后，微通道中兩相流型發生改變。

（5）微通道尺寸 微通道尺寸對液-液兩相流型影響不大，但是在不同尺寸微通道內，不同流型在流型譜圖上所占區域會有所變化。Kashid等[21]研究發現，隨著微通道尺寸的增大，彈狀流在流型圖上的分布區域增大。此外，當流型為彈狀流時，隨微通道尺寸的增大，生成的分散相液柱體積也增大。

骨質疏松性椎體壓縮骨折(osteoporotic vertebral vompression fractures,OVCF)是臨床常見、多發的骨科疾病,經皮椎體后凸成形術(percutaneous kyphoplasty,PKP)已成為目前治療此病的主要方式之一,但術中球囊擴張部位對療效及預后的影響研究尚少。本文將選取我院于2015年2月-2017年5月期間收治的90例骨質疏松性椎體壓縮型骨折患者作為本次研究對象,探討骨質疏松性椎體壓縮骨折患者接受椎體后凸成形術治療過程中不同的球囊擴張部位對其療效及安全性的影響情況,為提高患者治療效果及預后提供切實依據,現總結如下。

（6）微通道入口結構 常見的微通道入口結構為T 形、Y 形、聚焦流十字形以及同心圓形，研究不同入口結構對流型影響的工作較少，不過對不同入口結構條件下液滴流或彈狀流生成機理的研究工作比較多。Kashid等[22]觀察了不同結構微通道中液-液兩相流的流型并給出流型譜圖。通過對比各微通道的流型譜圖發現，T 形、Y 形和同心圓形3 種入口結構微通道內觀察到的液-液兩相流型差別不大，但是各流型在流型譜圖上的分布區域有所變化。

1.3 液-液兩相流型譜圖

在觀察微通道內液-液兩相流型的基礎上，許多研究者都給出了相應研究體系的流型譜圖。比較常見的方法是以兩液相表觀流速或流量為坐標作出流型譜圖，以此預測液-液兩相流型。此外，當實驗操作條件一定時，液-液兩相流型的多樣性由兩相黏性力、界面張力和慣性力的不同而引起，研究者也常以毛細管數、雷諾數和韋伯數為基礎劃分兩相流流區，給出兩相流型轉變線，并分析流型形成機理。

Kashid等以兩液相流量[21，23]以及兩相表觀流速[22]為坐標，給出了所研究的多種結構微通道內液-液兩相流的流型譜圖。Guillot等[24]通過改變油水兩相流速，觀察到了平行流和單分散相液滴流，并作出了實驗條件下液-液兩相流的流型譜圖，提出兩流型間的轉變不能用毛細管數來描述。

Dessimoz等[12]給出了以兩液相流量為坐標的液-液兩相流型譜圖；此外，還以毛細管數和雷諾數為坐標給出了T 形和Y 形微通道內液-液兩相流的流型轉變圖，提出兩液相流型的轉變受界面張力與黏性力的競爭控制。Zhao等[7]通過對各流型的形成過程進行理論分析提出流型形成主要由界面張力和慣性力共同控制，并依據界面張力和慣性力為把油水兩相流型譜圖劃分為界面張力控制、慣性力控制、界面張力和慣性力共同決定的3個區域。

人們希望提出普適性的流型譜圖，包含盡可能多的控制參數。但是，到目前為止，普適性的液-液兩相流型譜圖和明確的流型轉變線仍沒有提出，已提出的流型譜圖和流型預測公式適用性差，使用限制條件也較多。而微通道的結構尺寸、壁面性質等條件的不同，進一步增加了液-液兩相流型定量研究的復雜性，影響微通道中液-液兩相流型的生成和轉變的機理研究還有待深入。

2 微通道內液-液兩相傳質

傳質過程通常與流動、傳質換熱、反應耦合在一起，研究難度較大。微通道中，層流為流體的主要流動方式，擴散也因此成為流體間主要的傳質方式。在微通道內，由于流體流層薄，比表面積大，擴散距離短，傳質過程因此大大強化。對于微通道內液-液兩相流的傳質研究，研究方法主要有實驗和數值模擬兩種。

2.1 微通道內液-液兩相傳質實驗

在利用實驗方法研究液-液兩相傳質時，通常采用添加指示劑[12]、可視化[23]等實驗手段來獲取相關數據以表征傳質速率及效率，研究內容主要包括微通道內液-液兩相間的傳質機理，影響萃取速率、傳質系數的因素等。

微通道內液-液兩相間傳質機理與流型緊密相聯，研究最多的是彈狀流、液滴流和平行流條件下的傳質。對于彈狀流，分散相尺寸大于通道特征尺寸，分散相液柱內強烈的的內循環流動減小了液柱邊界層厚度，增加了表面更新速率，從而大大強化了傳質性能；對于液滴流，液滴尺寸小于或等于通道特征尺寸，兩液相間的比表面積很大，有效傳質面積大，此外，液滴內同樣存在內循環流動，增強兩液相間傳質；而對于穩定的平行流，傳質方式主要為擴散。

Kashid等[25]以水-丙酮-甲苯為實驗體系研究了不同結構微通道中的流型以及傳質情況。實驗觀察到6 種流型，并發現具有淺浮雕結構內表面的微通道為兩液相提供更好的分散性以及更大的界面面積而取得了最佳的傳質效果。研究還給出了各種結構微通道內傳質的經驗關聯式。Sinkovec等[26]在液-液兩相彈狀流條件下進行相轉移催化反應研究，彈狀流為反應提供了穩定的反應條件。研究發現，停留時間一定時，總反應速率隨界面面積的增大而增大。

Xu等[27]以正丁醇-丁二酸-水為實驗體系研究了液滴流情況下的液-液兩相間傳質過程，得到的液滴尺寸介于130～550 μm，傳質速率是傳統反應器的10～100倍，微通道入口處液滴形成階段兩液相間的傳質系數是液滴流動階段的10～100倍。Kumemura等[17]利用T 形微通道內產生的液滴流進行水相中鋁離子的快速萃取和檢測，通過改變油水兩相的流量來控制生成液滴的尺寸。研究中鋁離子的完全萃取時間約為1 s，比傳統反應器萃取速率快90倍。另外，Su等研究發現利用氣體的攪拌[28]或填充微顆粒[29]可極大地強化兩相的分散效果，比表面積和表面更新速度大幅增加，兩相間的傳質效果顯著增強。

Chasanis等[30]通過對微通道的上下壁面分別進行疏水性和親水性處理，研究平行流條件下水/甲苯/丙酮/甲基異丙基酮的交叉萃取過程，提出兩溶質間的反應可促進傳質。Zhao等[31]將微通道劃分為5個傳質區域，并利用時間外推法消除樣品分離過程對傳質的影響，精確測量微通道內傳質效果。實驗證明微通道的傳質效果比傳統反應器高2～3個數量級，此外還提出了預測微通道內液-液兩相流傳質性能的經驗關系式。

2.2 微通道內液-液兩相流數值模擬

數值模擬方法是研究微通道內液-液兩相流的重要手段之一，常用的模擬軟件為Fluent 或研究者自行開發的多相流模型計算程序。數值模擬方法經常用來考察液滴流和彈狀流的生成機制，各因素對液柱長度的影響以及液柱內溶質濃度分布和速度分布等。微通道內彈狀流的相間接觸面積大，能夠強化相間傳質；兩相間薄液膜能增強管壁與分散相液柱之間的傳熱與傳質速率；液柱內循環流動能促進混合、增強傳質。因此，微通道內彈狀流傳遞具有廣闊的應用前景。此外，彈狀流也是一種十分穩定的液-液兩相流型，因而成為數值模擬方法研究液-液兩相流的主要研究對象。

De Menech等[32]對微通道入口處分散相液柱的形成過程進行了模擬研究，提出分散相液柱的形成機理分為擠壓、滴柱和噴射3 種，并對每一種機理的主要影響因素進行了模擬分析。Kashid等[33]通過基于有限元的流體動力學模型對有無化學反應條件下彈狀流傳質過程行了模擬，研究發現黏度對液柱內流動沒有影響，研究結果與已發表的實驗結果吻合度較好。Ghaini等[34]利用基于不可壓縮Navier-Stokes 方程、含有合適兩相邊界條件的VOF算法預測了彈狀流液柱形狀以及液柱內流體動力學，在液柱模擬的速度矢量圖中顯示了完全發展的內循環流動，并表明了液膜對流體動力學和兩相間傳質的重要性。王文坦等[35]構建了一套用于計算多相微流體的LBM 模型方程，并用該方法對方形通道內液滴流進行了三維模擬，揭示了微通道中液滴內部的流動機制。

在微通道內液-液兩相間傳質的研究過程中，由于兩相流的復雜性以及端效應等因素，使得實驗分析難度較大，并且大多研究都屬于定性研究，定量研究較少。而要對微通道內液-液兩相間的傳質過程進行定量研究，必須在研究手段上有所突破，使傳質研究進入一個新的階段。

3 微通道內液-液兩相流的應用

多相微反應器傳熱和傳質性能好，可以實現流體的有效混合，并優化多相反應的操作。微通道內液-液兩相流體系在萃取[36-37]、相轉移催化[38]、有機合成[39-40]、乳液制備[41]等領域具有較為廣泛的應用前景。

微反應器中傳質傳熱過程的強化以及微尺寸效應減小了液-液兩相快速強放熱反應工業化的困難。Shen等[42]研究了微通道內液-液兩相強放熱合成反應-異辛醇與混合酸（硝酸和硫酸）之間的硝化反應，該反應存在潛在的爆炸危險和副反應的發生。實驗證明了微通道中進行該反應的可行性和安全性，此外，還給出了進行該合成反應的最佳實驗條件。與傳統反應器相比，反應的最佳溫度有所提高，沒有副產物生成，異辛醇的轉化率可達98.2%。

液滴流和彈狀流是微通道內液-液兩相流中最常見且應用最為廣泛的流型，由于微通道內產生的液滴和液柱大小可控、生成頻率高、流型穩定，因而液滴流和彈狀流常被應用于酶測定、蛋白質結晶、納米粒子合成以及膠囊制備等領域。Huebner等[43]在水相微液滴中進行了定量的細胞酶化驗，該實驗證明對微液滴中的個別酶反應進行化驗是可行的。Ravi Kumar等[44]在螺旋微反應器中，利用彈狀流合成Ag 納米粒子，并討論了液柱尺寸以及滑移速度等因素對納米粒子的粒徑分布的影響。Huang等[45]利用聚焦十字形微通道制備了大小為130～580 μm的京尼平-明膠微膠囊，并且膠囊的大小非常均一，這種大小均勻的微膠囊將為制藥應用提供許多潛在的用途。

4 結語

液-液兩相流作為微化工技術的基礎研究內容，其流型和傳質的實驗及模擬研究對微化工技術的發展具有重要意義。

（1）在微通道內液-液兩相流研究中，常見的流型有液滴流、彈狀流、平行流和環形流。兩液相流量、流體物理性質以及微通道壁面潤濕性等因素對流型有很大的影響。目前，普適性的液-液兩相流型譜圖和明確的流型轉變線仍未提出。

（2）對于微通道內液-液兩相流的傳質研究，研究方法主要有實驗和數值模擬兩種，并且大多研究都屬于定性研究，定量研究較少。

（3）對于微通道內液-液兩相流，還需從以下兩個方面深入研究：①實驗與模擬計算相結合，分析各流型的生成機理、流型間的轉變機理、兩相界面現象以及傳遞規律，提出適用性好的液-液兩相流型譜圖、流型轉變判別式以及傳質定量表達式；②拓展微通道內液-液兩相流的應用研究，推進其工業化進程。

[1]J?hnisch K，Hessel V，L?we H，et al.Chemistry in microstructured reactors[J].Angew.Chem.Int.Ed.，2004，43：406-446.

[2]Kiwi-Minsker L，Renken A.Microstructured reactors for catalytic reactions[J].Catalysis Today，2005，110：2-14.

[3]陳光文，趙玉潮，袁權.微尺度下液-液流動與傳質特性的研究進展[J].化工學報，2010，61（7）：1627-1635.

[4]鄭亞鋒，趙陽，辛峰.微反應器研究及展望[J].化工進展，2004，23（5）：461-467.

[5]駱廣生，徐建鴻，李少偉，等.微結構設備內液-液兩相流行為研究及其進展[J].現代化工，2006，26（3）：19-23.

[6]Squires T M，Quake S R.Microfluidic：Fluid physics at the nanoliter scale[J].Rev.Mod.Phys.，2005，77：977-1026.

[7]Zhao Y C，Chen G W，Yuan Q.Liquid-liquid two-phase flow patterns in a rectangular microchannel[J].AIChE Journal，2006，52（12）：4052-4060.

[8]Jovanovic J，Rebrov E V，Nijhuis T A，et al.Liquid-liquid flow in a capillary microreactor：Hydrodynamic flow patterns and extraction performance[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2012，51：1015-1026.

[9]Shao H W，Lü Y C，Wang K，et al.An Experimental study of liquid-liquid microflow pattern maps accompanied with mass transfer[J].Chinese Journal of Chemical Engineering，2012，20（1）：18-26.

[10]Sarkar P S，Singh K K，Shenoy K T，et al.Liquid-liquid two-phase flow patterns in a serpentine microchannel[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2012，51：5056-5066.

[11]Salim A，Fourar M，Pironon J，et al.Oil-water two-phase flow in microchannels：Flow patterns and pressure drop measurements[J].Can.J.Chem.Eng.，2008，86：978-988.

[12]Dessimoz A，Cavin L，Renken A，et al.Liquid-liquid two-phase flow patterns and mass transfer characteristics in rectangular glass microreactors[J].Chemical Engineering Science，2008，63 ：4035-4044.

[13]Reddy Cherlo S K，Kariveti S，Pushpavanam S.Experimental and numerical investigations of two-phase(liquid-liquid)flow behavior in rectangular microchannels[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2010，49：893-899.

[14]Xu J H，Luo G S，Li S W，et al.Shear force induced monodisperse droplet formation in a microfluidic device by controlling wetting properties[J].Lab.Chip.，2006，6：131-136.

[15]Garstecki P，Fuerstman M J，Stone H A，et al.Formation of droplets and bubbles in a microfluidic T-junction-scaling and mechanism of break-up[J].Lab.Chip.，2006，6：437-446.

[16]Kuban P，Berg J，Dasgupta P K.Vertically stratified flows in microchannels.Computational simulations and applications to solvent extraction and ion exchange[J].Anal.Chem.，2003，75（14）：3549-3556.

[17]Kumemura M，Korenaga T.Quantitative extraction using flowing nano-liter droplet in microfluidic system[J].Analytica Chimica Acta，2006，558：75-79.

[18]Xu J H，Li S W，Tan J，et al.Preparation of highly monodisperse droplet in a T-junction microfluidic device[J].AIChE Journal，2006，52（9）：3005-3010.

[19]Ghaini A，Mescher A，Agar D W.Hydrodynamic studies of liquid-liquid slug flows in circular microchannels[J].Chemical Engineering Science，2011，66：1168-1178.

[20]Zhao Y C，Su Y H，Chen G W，et al.Effect of surface properties on the flow characteristics and mass transfer performance in microchannels[J].Chemical Engineering Science，2010，65 ：1563-1570.

[21]Kashid M N，Agar D W.Hydrodynamics of liquid-liquid slug flow capillary microreactor：Flow regimes，slug size and pressure drop[J].Chemical Engineering Journal，2007，131：1-13.

[22]Kashid M，Kiwi-Minsker L.Quantitative prediction of flow patterns in liquid-liquid flow in micro-capillaries[J].Chemical Engineering and Processing，2011，50：972-978.

[23]Kashid M N，Fernández Rivas D，Agar D W，et al.On the hydrodynamics of liquid-liquid slug flow capillary microreactors[J].Asia-Pac.J.Chem.Eng.，2008，3：151-160.

[24]Guillot P，Colin A.Stability of parallel flows in a microchannel after a T-junction[J].Physical Review E，2005，72：066301.

[25]Kashid M N，Renken A，Kiwi-Minsker L.Influence of flow regime on mass transfer in different types of microchannels[J].Ind.Eng.Chem.Res.，2011，50：6906-6914.

[26]Sinkovec E，Krajnc M.Phase transfer catalyzed wittig reaction in the microtube reactor under liquid-liquid Slug-Flow Pattern[J].Org.Process Res.Dev.，2011，15：817-823.

[27]Xu J H，Tan J，Li S W，et al.Enhancement of mass transfer performance of liquid-liquid system by droplet flow in microchannels[J].Chemical Engineering Journal，2008，141：242-249.

[28]Su Y H，Chen G W，Zhao Y C，et al.Intensification of liquid-liquid two-phase mass transfer by gas agitation in a microchannel[J].AIChE Journal，2009，55（8）：1948-1958.

[29]Su Y H，Zhao Y C，Chen G W，et al.Liquid-liquid two-phase flow and mass transfer characteristics in packed microchannels[J].Chemical Engineering Science，2010，65：3947-3956.

[30]Chasanis P，Brass M，Kenig E Y.Investigation of multicomponent mass transfer in liquid–liquid extraction systems at microscale[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53：3758-3763.

[31]Zhao Y C，Chen G W，Yuan Q.Liquid-liquid two-phase mass transfer in the T-junction microchannels[J].AIChE Journal，2007，53（12）：3042-3053.

[32]De Menech M，Garstecki P，Jousse F，et al.Transition from squeezing to dripping in a microfluidic T-shaped junction[J].J.Fluid Mech.，2008，595：141-161.

[33]Kashid M N，Agar D W，Turek S.CFD modelling of mass transfer with and without chemical reaction in the liquid-liquid slug flow microreactor[J].Chemical Engineering Science，2007，62：5102-5109.

[34]Ghaini A，Mescher A，Agar D W.Hydrodynamic studies of liquid-liquid slug flows in circular microchannels[J].Chemical Engineering Science，2011，66：1168-1178.

[35]王文坦，劉喆，金涌，等.微通道中液滴內部速度場的LBM 模擬[J].中國科技論文在線，2010，5（12）：911-918.

[36]Novak U，Pohar A，Plazl I，et al.Ionic liquid-based aqueous two-phase extraction within a microchannel system[J].Separation and Purification Technology，2012，97：172-178.

[37]Toda K，Ebisu Y，Hirota K，et al.Membrane-based microchannel device for continuous quantitative extraction of dissolved free sulfide from water and from oil[J].Analytica Chimica Acta，2012，741：38-46.

[38]Ufer A，Sudhoff D，Mescher A，et al.Suspension catalysis in a liquid-liquid capillary microreactor[J].Chemical Engineering Journal，2011，167：468-474.

[39]Serra C A，Chang Z Q.Microfluidic-assisted synthesis of polymer particles[J].Chem.Eng.Technol.，2008，31（8）：1099-1115.

[40]Dendukuri D，Doyle P S.The synthesis and assembly of polymeric microparticles using microfluidics[J].Adv.Mater.，2009，21：4071-4086.

[41]Kobayashi I，Nakajima M.Effect of emulsifiers on the preparation of food-grade oil-in-water emulsions using a straight-through extrusion filter[J].Eur.J.Lipid Sci.Technol.，2002，104：720-727.

[42]Shen J N，Zhao Y C，Chen G W，et al.Investigation of nitration processes of iso-octanol with mixed acid in a microreactor[J].Chin.J.Chem.Eng.，2009，17（3）：412-418.

[43]Huebner A，Olguin L F，Bratton D，et al.Development of quantitative cell-based enzyme assays in microdroplets[J].Anal.Chem.，2008，80：3890-3896.

[44]Ravi Kumar D V，Prasad B L V，Kulkarni A A.Segmented flow synthesis of Ag nanoparticles in spiral microreactor ：Role of continuous and disperzsed phase[J].Chemical Engineering Journal，2012，192：357-368.

[45]Huang K S，Lu K，Yeh C S，et al.Microfluidic controlling monodisperse microdroplet for 5-fluorouracil loaded genipin-gelatin microcapsules[J].Journal of Controlled Release，2009，137：15-19.