بررسی تجربی استخراج مایع-مایع و تحلیل جریان سه فازی گاز-مایع- مایع در یک میکروکانال

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی شیمی، دانشگاه صنعتی اصفهان، ایران

چکیده

در این پژوهش، جریان سه فازی گاز-مایع-مایع در یک میکروکانال بررسی و نقش فاز گاز در فرآیند استخراج مایع-مایع مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفت. مواد مورد استفاده شامل محلول آبی سدیم هیدروکسید به‌عنوان فاز آبی، استیک اسید در نرمال هگزان به‌عنوان فاز آلی و نیتروژن به‌عنوان فاز گازی بودند. میکروکانال‌ مورد استفاده از جنس شیشه به عرض و عمق به‌ترتیب µm 800 و µm 700 بوده و فرآیند استخراج در حالت دو فازی مایع-مایع و سه فازی گاز-مایع-مایع مورد ارزیابی قرار گرفت. در حالت دو فازی (بدون حضور گاز)، الگوی جریان تشکیل شده لخته‌ای و الگوی جریان در حالت سه فازی به‌صورت امولسیون دوگانه یا لخته سه فازی گاز در آلی در آبی بود. طبق نتایج حاصل مشخص شد که با افزایش نسبت دبی فاز آبی به آلی از 5/0 به 2، ضریب کلی-حجمی انتقال جرم در حدود 50% کاهش پیدا می‌کند. همچنین با افزایش دبی کلی مایعات از mL/s 005/0 به mL/s 020/0، ضریب کلی-حجمی انتقال جرم حدود 140% افزایش پیدا می‌کند. نتایج نشان داد که افزودن گاز همواره باعث بهبود انتقال جرم در میکروکانال نمی‌شود. به‌عنوان مثال در دبی ثابت دو مایع برابر با mL/s 005/0، با افزایش دبی گاز از 0 تا mL/s 1/0، ضریب انتقال جرم کاهش و سپس با افزایش دبی گاز تا mL/s 2/0، ضریب انتقال جرم افزایش می‌یابد.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Experimental Investigation of Liquid-liquid Extraction and Gas-liquid-liquid Flow in a Microchannel

نویسندگان [English]

  • Hosein Alikhani
  • Mehdi Sattari-Najafabadi
  • Masoud Haghshenasfard
Department of Chemical Engineering, Isfahan University of Technology, Iran
چکیده [English]

In this study, solvent extraction during gas-liquid-liquid flow in a microchannel was investigated. Sodium hydroxide aqueous solution, acetic acid dissolved in n-hexane and nitrogen were employed as the aqueous, organic and gaseous phases, respectively. The microchannel was made of glass with a cross sectional dimension of 800×700 µm2. In the two-phase mode (without the gas phase), the flow regime was slug flow, while in the three-phase flow mode, the flow pattern was a double emulsion (gas in organic in water) flow. By increasing the total fluid flow from 0.005 to 0.020 mL/s, the overall volumetric mass transfer coefficient enhanced on average by 140%. Using the gas phase did not always improve the mass transfer coefficient in the microchannel. For example, at a constant liquids flow rate of 0.005 mL/s, increasing the gas flow rate from 0 to 0.1 mL/s, deteriorated the mass transfer coefficient, however, increasing the gas flow rate up to 0.2 mL/s led to augmentation of the mass transfer coefficient.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Three-phase Flow
  • Liquid-Liquid Extraction
  • microchannel
  • Gas phase
  • Mass Transfer
[1]. Tang J, Zhang X, Cai W, Wang F (2013) Liquid-liquid extraction based on droplet flow in a vertical microchannel, Experimental Thermal and Fluid Science, 49: 185-192. ##
[2]. Kashid M N, Renken A, Kiwi-Minsker L (2011) Gas-liquid and liquid-liquid mass transfer in microstructured reactors, Chemical Engineering Science, 66, 17: 3876-3897. ##
[3]. Assmann N, von Rohr P R (2011) Extraction in microreactors: Intensification by adding an inert gas phase, Chemical engineering and processing: process intensification, 50, 8: 822-827. ##
[4]. Hao Y, Jin N, Wang Q, Zhou Y, Zhao Y, Zhang X, Lü H (2020) Dynamics and controllability of droplet fusion under gas–liquid-liquid three-phase flow in a microfluidic reactor, RSC Advances, 10, 24: 14322-14330. ##
[5]. Yue J, Rebrov E, Schouten J (2014) Gas-liquid-liquid three-phase flow pattern and pressure drop in a microfluidic chip: Similarities with gas-liquid/liquid-liquid flows, Lab on a Chip, 14, 632-1649. ##
[6]. Di Miceli Raimondi N., Prat L, Gourdon C, Tasselli J (2014) Experiments of mass transfer with liquid-liquid slug flow in square microchannels, Chemical Engineering Science, 105: 169-178. ##
[7]. Tsaoulidis D, Angeli P (2015) Effect of channel size on mass transfer during liquid-liquid plug flow in small scale extractors, Chemical Engineering Journal, 262: 785-793. ##
[8]. Zhao Y, Su Y, Chen G, Yuan Q (2010) Effect of surface properties on the flow characteristics and mass transfer performance in microchannels, Chemical Engineering Science, 65, 5: 1563-1570. ##
[9]. Burns J R, Ramshaw C (2001) The intensification of rapid reactions in multiphase systems using slug flow in capillaries, Lab on a Chip, 1, 1: 10-15. ##
[10]. Dessimoz A L, Cavin L, Renken A, Kiwi-Minsker L (2008) Liquid–liquid two-phase flow patterns and mass transfer characteristics in rectangular glass microreactors, Chemical Engineering Science, 63, 16: 4035-4044. ##
[11]. Sattari-Najafabadi M, Nasr Esfahany M, Wu Z, Sundén B (2017) Hydrodynamics and mass transfer in liquid-liquid non-circular microchannels: Comparison of two aspect ratios and three junction structures, Chemical Engineering Journal, 322: 328-338. ##
[12]. Sattari-Najafabadi M, Sundén B, Wu Z, Nasr Esfahany M (2016) Influence of physical properties of phases on hydrodynamics and mass transfer characteristics of a liquid-liquid circular microchannel, International conference on nanochannels, microchannels, and minichannels, ICNMM2016-7954, V001T03A003, Washington. ##
[13]. Liu Y, Chen G, Yue J (2020) Manipulation of gas-liquid-liquid systems in continuous flow microreactors for efficient reaction processes, Journal of Flow Chemistry, 10, 1: 103-121. ##
[14]. Su Y, Chen G, Zhao Y, Yuan Q (2009) Intensification of liquid–liquid two-phase mass transfer by gas agitation in a microchannel, AIChE Journal, 55, 8: 1948-1958. ##
[15]. Yao C, Ma H, Zhao Q, Liu Y, Zhao Y, Chen G (2020) Mass transfer in liquid-liquid Taylor flow in a microchannel: Local concentration distribution, mass transfer regime and the effect of fluid viscosity, Chemical Engineering Science, 223: 115734. ##
[16]. Yao C, Liu Y, Zhao S, Dong Z, Chen G (2017) Bubble/droplet formation and mass transfer during gas–liquid-liquid segmented flow with soluble gas in a microchannel, AIChE Journal, 63, 5: 1727-1739. ##
[17]. Rui Ma, Fan C, Wang Y, Luo J, Li J, Komarneni S (2020) Gas-Liquid-liquid Extraction in a Novel Rotating Microchannel Extraction, Chinese Journal of Chemical Engineering, 28: 2523-2532. ##
[18]. Aoki N, Ando R, Mae K (2011) Gas-liquid-liquid slug flow for improving liquid-liquid extraction in miniaturized channels, Industrial Engineering Chemical Research, 50: 4672–4677. ##