SUPERVISOR
Mohsen Nasresfahany
محسن نصراصفهانی (استاد راهنما)
STUDENT
Mehdi Sattari Najafabadi
مهدی ستاری نجف آبادی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده مهندسی شیمی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Experimental investigation of slug flow mass transfer coefficients during liquid-liquid extraction inside microchannels
Hydrodynamics and mass transfer during liquid-liquid slug flow inside circular and non-circular microchannels have been investigated.A square microchannel (MC-1, aspect ratio 1) and a rectangular microchannel (MC-2, aspect ratio 2) with the same hydraulic diameter (400 µm) were investigated experimentally. The results showed that the overall volumetric mass transfer coefficient ( K L a ) in MC-2 was 16.2% lower than that in MC-1 due to enlargement of dispersed phase slugs in MC-2, leading to development of stagnant zones within plugs and reduction of wall film renewal. Three different junction structures were studied. K L a was enhanced by up to 34.8% using JC-1, as compared to that employing JC-2 or JC-3 due to more movement of biphasic interface, resulting in higher mixing within slugs using JC-1. The junction arrangement could influence not only on mass transfer during slug-formation stage, but also on slug-flowing stage due to affecting vortex patterns along the microchannel. Also, three square microchannels with the hydraulic diameters of 200, 400 and 600 µm were used. The employed method for estimating mass transfer coefficients remarkably increased the accuracy of the results. The findings revealed that decreasing the microchannel size improved the interfacial area due to plug length enlargement and deteriorated mass transfer resistances because of augmented internal circulations, leading to the considerable enhancement of mass transfer coefficients. The increasing effect on the overall mass transfer coefficient became greater with flow velocity, showing that size effect on mass transfer resistances was more profound at higher flow velocities. The influence of size on the interfacial area was significantly greater than that on mass transfer resistances due to the significant increment of wall film length with the decrease in channel size. Liquid-liquid slug flow inside a circular microchannel was studied experimentally to examine the influence of the presence of sodium dodecyl sulfate (SDS) on hydrodynamics and mass transfer. The microchannel was made of polytetrafluoroethylene (PTFE), with the internal diameter of 0.6 mm. The applied method for estimating mass transfer coefficients considerably increased the accuracy of the results. The findings revealed that the presence of SDS in the aqueous phase decreased the slug length of both phases due to the decrement of the interfacial tension, leading to the enhancement of the specific interfacial area. Improved recirculations inside the slugs were responsible for the enhanced mass transfer. Moreover, the influence of SDS on internal circulations was remarkably greater than that on the interfacial area. Although the addition of the surfactant in small concentrations showed a remarkable increase in the mass transfer rate, the effect was levelled off by increasing the SDS concentration.
میکروکانال های دوفازی به دلیل ساختار میتیاتوری خود قادر به فراهم نمودن کنترل دقیق سطح بین فازی، توزیع زمان اقامت بسیار باریک، اعمال پروفایل دمای دلخواه در طول میکروکانال و ضرائب انتقال جرم و حرارتِ 100 تا 1000 مرتبه بیشتر از تماس دهنده های مرسوم هستند. رژیم های جریان متنوعی در میکروکانال های دوفازی مشاهده شده که جریان لخته ای به سبب پایداری مناسب، متداول ترین رژیم جریان محسوب می شود. مطالعات فراوانی روی هیدرودینامیک و انتقال جرم جریان لخته ای مایع-مایع در میکروکانال ها انجام شده ولی با مرور منابع، فقدان پژوهش روی اثر قطر هیدرولیکی، نسبت ابعاد سطح مقطع و هندسه نقطه اختلاط به عنوان پارامترهای مهم طراحیِ میکروکانال های مایع-مایع آشکار می گردد. در این پژوهش، تاثیر قطر هیدرولیکی با به کارگیری میکروکانال های مربعی با قطرهای ?m 200، ?m 400 و ?m600 مطالعه شده است. کاهش قطر هیدرولیکی در سرعت ثابت جریان منجر به افزایش طول لخته های هر دو فاز شده که علت این امر می تواند کاهش عدد وبر فاز پیوسته باشد. سطح بین فازی مخصوص با کاهش قطر کانال از?m 600 به ?m 400 و از?m 400 به ?m 200 در سرعت ثابت جریان به سبب افزایش قابل توجه طول فیلم دیواره به ترتیب به میزان %3/51 و %5/90 بهبود یافته است. ضریب کلی حجمی انتقال جرم با تغییر قطر کانال از ?m 600 به ?m 400 و از ?m 400 به ?m 200 به ترتیب %2/112 و %4/124 بهبود یافته و ضریب کلی انتقال جرم نیز به ترتیب %6/41 و %1/16 افزایش داشته است. بهبود انتقال جرم به خاطر افزایش سطح بین فازی و همچنین کاهش مقاومت های انتقال جرم به دلیل تقویت چرخش های درونی لخته ها است. اثر کاهش قطر بر سطح بین فازی بسیار قوی تر از اثر آن بر مقاومت های انتقال جرم بوده است. نسبت ابعاد سطح مقطع با مقایسه نتایج دو میکروکانال مربعی (نسبت ابعاد 1) و مستطیلی (نسبت ابعاد 2) با قطر یکسانِ ?m 400 بررسی شده است. طول لخته های فاز پراکنده و پیوسته در میکروکانال مستطیلی به ترتیب %0/41 و %0/50 بیشتر از طول لخته ها درون میکروکانال مربعی بوده، درحالی که سطح بین فازی مخصوص تغییر محسوسی با تغییر نسبت ابعاد سطح مقطع نداشته است. تغییر نسبت ابعاد از 1 به 2 در قطر هیدرولیکی ثابت منجر به کاهش ضریب کلی حجمی انتقال جرم و ضریب کلی انتقال جرم به ترتیب به میزان %2/16 و %7/13 گردیده که این کاهش می تواند ناشی از رشد مناطق ساکن درون لخته های فاز پراکنده و کاهش تبادل جرم میان فیلم دیواره و بالک فاز پیوسته به دلیل زیاد شدن طول لخته های فاز پراکنده باشد. سه هندسه نقطه اختلاط متفاوت به کمک میکروکانال مربعی با قطر ?m 400 مطالعه شده است. استفاده از هندسه های cross shaped T-junction (JC-2) و T-junction (JC-3) منتج به عملکرد انتقال جرمی مشابه میکروکانال شده ولی ضریب کلی حجمی انتقال جرم در میکروکانال با آرایش اختلاط cross shaped junction (JC-1) به دلیل اعمال تنش برشی بالاتر توسط فاز پیوسته روی سطح لخته ی در حال تشکیل فاز پراکنده و در نتیجه ایجاد چرخش های درونی قوی تر درون لخته ها در مقایسه با میکروکانال با JC-2 و JC-3 به طور متوسط %5/21 بهبود داشته است. طول لازم میکروکانال برای استخراج مقدار مشخصی ماده حل شونده، به خاطر تغییر هندسه نقطه اختلاط از JC-1 به JC-2 یا JC-3 به مقدار %5/18 و به سبب تغییر نسبت ابعاد سطح مقطع از 1 به 2 به میزان %3/6 افزایش داشته است. لذا، با توجه به محدودیت های موجود در انتخاب طول میکروکانال ها در زمان طراحی که ناشی از محدودیت های روش های ساخت است، انتخاب هندسه نقطه اختلاطِ مناسب به عنوان یک پارامتر هندسی مهم می تواند در مقایسه با انتخاب نسبت ابعاد سطح مقطع از اهمیت بالاتری برخوردار باشد. در ادامه، مقایسه نتایج برای دو حلال آلی مختلف و همچنین بررسی اثر حضور ماده فعال سطحی درون میکروکانالی مدور با قطر mm 7/0 انجام شده است. با تغییر حلال آلی از نرمال-هگزان به تولوئن، طول لخته های دو فاز و سطح بین فازی مخصوص تقریباً بدون تغییر بوده است. میزان انتقال جرم با استفاده از تولوئن به طور متوسط %5/78 در مقایسه با شرایطی که نرمال-هگزان استفاده شده بهبود داشته، چراکه در سرعت ثابت فازها، چرخش های درون لخته ها ناشی از نیروهای برشی برای سیستم تولوئن/آب به خاطر کشش بین سطحی پایین تر و ویسکوزیته بالاتر در مقایسه با سیستم نرمال-هگزان/آب قوی تر بوده است. ماده فعال سطحی سدیم دودسیل سولفات باعث کاهش طول لخته های هر دو فاز در سرعت ثابت جریان گردیده که این امر به دلیل کاهش کشش بین سطحی فازها است. سطح بین فازی مخصوص در حضور سدیم دودسیل سولفات بهبود خفیفی در مقایسه با سیستم عاری از ماده فعال سطحی داشته است. ضریب کلی حجمی انتقال جرم در حضور wt% 02/0 و wt% 10/0 سدیم دودسیل سولفات به ترتیب به میزان %1/20 و %1/35 در مقایسه با سیستم عاری از ماده فعال سطحی افزایش داشته که این امر ناشی از بهبود چرخش های درون لخته ها به خاطر کاهش کشش بین سطحی و توزیع غیر یکنواخت مولکول های ماده فعال سطحی روی فصل مشترک (اثرات مارانگونی [1] ) بوده است. [1] Marangoni effects