【埃因霍温理工大学案例】基于两相体系提出的微流控芯片中气-液-液三相（葵烷-水-氮气）体系的流型及压降的研究

背景介绍

微流控芯片中的多相流在精细化工和材料合成、分离纯化和化学生物筛选等领域有着广阔的应用前景。在微流控芯片中，对气泡、液滴或不混相流体流的精确控制通常是通过精心设计的芯片来实现的，这些芯片能够很好地处理层流条件下的流体流体力学和工程微通道中的流体与的固体相互作用。目前已有报道的多相微流控系统主要处理气-液或液-液两相，提出的计算模型则主要涉及到流型、压降，气泡与液滴的状态等流体力学特征。微流控系统中的气-液-液三相流有着广泛的应用前景（如：β-不饱和醛的加氢反应[1]），但是对其流体力学的研究目前较少。2014年，埃因霍芬理工大学的Jaap C. Schouten教授课题组在对气-液、液-液两相反应作出充分研究的基础上，对气-液-液三相体系的流型进行了细致的研究，并首次提出了计算气-液-液三相（葵烷-水-氮气）体系的压降模型。并将相关成果发表在了《Lab on a Chip》杂志上（Lab Chip, 2014, 14, 1632–1649）

实验器材与实验步骤

文中所用微流控芯片由荷兰CHEMTRIX. B. V. 设计与提供（图 1）。微流控芯片通道由HF蚀刻而成，微反应器上的长蛇形通道长约70 cm。入口端的叉流混合器允许从A、B和C端口引入的三种流体接触。蛇形微通道通过较短的微通道截面，沿其长度以12.1 cm至出口端D，沿其长度48.6 cm至出口E。在进行反应试验时，D口可取样，E口可收集产物，F口可引入液体对反应进行淬火。由于采用了各向同性蚀刻工艺，芯片上的所有微通道都具有相同的横截面（图1）尺寸，形状为底部为圆形的、总体近似为矩形(最大宽度: W = 300 μm; 高度: H = 60 μm; 两侧壁: 半径为H的1/4圆弧)，这一设计给出了98μm的水力直径。芯片的密封是通过将蚀刻微通道的玻璃衬底与玻璃盖板粘结而实现的。

本文中以氮气-癸烷-水三相流作为模型三相系统进行研究，其装置如图1所示。水和癸烷使用注射器泵(Fusion 200, Chemyx)输送，通过内置止回阀(CV-3500, Idex )止回。水和癸烷分别通过A端口和C端口,通过两个单独的PEEK 毛细管1和3(内径:150μm;长度:30厘米）进入微流控芯片。氮气则通过气瓶输送、通过气体流量计来控制输送量，同时为了保证恒定的气体流量不受芯片中多相流波动的影响，在给气管线中使用了小直径PEEK毛细管（内径: 25 μm;长度: 30 cm）增加了一个压力屏障，再通过B端口PEEK毛细管2(内径: 150 μm; 长度: 37 cm)进入微流控芯片中。同时将反应出口E、F堵住。在D出口接上一段PEEK毛细管4(内径: 150 μm; 长度: 15 cm)。这使得作者所用装置变为总长为14 cm，仅包含1-6通道。这种仪器设置使作者能够测量在研究条件下三相流小于0.1 MPa的压降。（如果使用整个微通道，将导致沿微通道的气体体积流量发生显著变化，并可能导致三相流型的轴向变化，从而给压降分析带来额外的困难。）

图1 实验装置概况

实验在环境条件(20℃, 0.1 MPa)下进行。水（Qw）和癸烷（Qd）的体积流量范围0.6- 40μl/ min，气体流量分为30, 60, 90 μl /min三档。以体积流量除以微通道的横截面积，即得水（Jw）和癸烷（JD）的表观流速处于0.6到40.5mm/s的范围，气体的表观流速基于三档流量处于30.4到91.2mm/s之间。为了进一步解释所观察到的三相流模式及其压降行为，在与三相流研究类似的操作条件下，对芯片内的氮气水、氮气癸烷和癸烷水系统的两相流进行了研究。图2为各两相流研究与芯片的流体连接及压力测量方法。

图2 实验所用装置

在上述三相流研究中，压力传感器的读数指定了总压降，总压降由：(1)进口毛细管2中的氮气流; (2)氮气从B端口流向芯片的交叉流混合器; (3)芯片内三相流动; (4)毛细管出口4处的三相流动;(5)出入口损失等五个方面贡献。在研究的条件下，可以忽略(1)、(2)和(5)的贡献，但必须测量(4)的贡献，从而推导出芯片内三相流相关的压降。(4)的测量可以通过不接芯片的条件下间接地测得。两相流反应压降的相关参数也可通过此方法测得。

结果与讨论

微流控芯片中观察到的三相流主要有两种模式：三相段塞流和平行段塞流。

当Jw明显高于JD时，三相段塞流表现得更为明显。这种流动模式一般出现在交叉流混合器后的下游位置，由先前形成的与携带流动氮气气泡的癸烷的平行水流破裂而形成的。通过1-6段和连接芯片出口端口D的短微通道，可以看到三相段塞流，其特征是水段塞与包裹氮气泡的癸烷液滴交替运动。由于水在玻璃上具有良好的润湿性，所以水是连续相，这也可以从癸烷液滴的凸起处看出，在气泡体和浸湿墙体的周围水膜之间存在一层薄的癸烷膜。

当Jw明显小于JD时，平行段塞流表现得更为明显。这种流动模式的特点是，癸烷和水相并排流动，长形氮气气泡在癸烷层流动。这种流型，一旦在交叉流混合器中产生，就会在整个芯片中持续存在。除微通道曲线段附近有水流宽度可能发生一定变化外，癸烷界面一般与水流方向平行。除了有时气泡经过时，界面几乎不动。换句话说，有时可以看到下游段的气泡向水侧进一步膨胀，造成暂时弯曲的癸烷水界面。气泡形状的这种变化可能是因为微通道内的压降很大,沿微通道的实际表面气体速度的增加。

当Jw、JD与相近时，发现三相段塞流与平行段塞流之间存在过渡流型，可以看到，在交叉流混合器中产生的平行段塞流沿开始段流动(见图2c中的段1 - 2)，在癸烷层断裂后，下游进一步失稳，变为三相段塞流。.裂解可以在不同的时刻发生在不同的段中，并可以产生只含有一个或多个气泡的癸烷液滴。

图3 两种流型及其过渡态示意图（左到右依次为三相段塞流与平行段塞流与过渡态）

表 1 固定气体流速下，两相流速对三相形成不同流型的影响

为了解释三相流模式的存在，作者通过在该芯片中进行水-葵烷两相流实验。在给定的JW值下，相对较低的JD值使交叉流混合器中产生了癸烷-水两相段塞流，随着JD的增加的癸烷-水两相平行流在开始在微通道入口处先出现，但接下来会进一步分裂成段塞流。如果JD足够高，这种分裂就不会发生，整个芯片就会保持平行流动。此外，在三相流的研究流量条件下，发现芯片内氮气-癸烷流和氮气-水流的相关流动模式始终为段塞流。又由于氮气-癸烷体系的表面张力远低于氮气-水体系的表面张力，三相流动时，氮气气泡较好地产生于癸烷相。综上所述，很好地解释三相流型图上各流型的分布：三相段塞流是癸烷-水两相段塞流与癸烷-氮气两相段塞流的叠加；平行段塞流是癸烷-水两相平行流与正癸烷-氮气段塞流的叠加；三相段塞流与平行段塞流之间的过渡流型为氮气-癸烷两相段塞流与过渡-水过渡流型的组合。

之后作者还对该反应体系的压降进行了研究。主要将其分为两个步骤：第一步为建立描述气-液两相段塞流和液-液两相段塞流的两相压降模型。第二步，将三相体系流型中的氮气-癸烷液滴视为具有有效粘度的拟均相液滴，将该模型推广到三相段塞流。在两相反应中，其总压降的计算大抵上符合如下方程式：

对于两相段塞流而言，

对于液-液两相平行流而言，

随后作者将其推广到了三相流。

对于三相段塞流而言，ΔPtot的算法两相段塞流算法基本一致，但由于葵烷相中包含着氮气，故μD改为

对三相平行段塞流而言，

结论

1.实验研究了chemitrix公司的玻璃微流控芯片中氮气-癸烷-水的流动。确定了两种主要的流型:三相段塞流和平行段塞流。.

2.在两相段塞流和两相平行流的压降模型的基础上，建立了三相段塞流和平行段塞流压降模型。

3.这项工作的发现为化学家和工程师提供了新的机会，给多相催化、材料合成和液-液萃取等方面更好地控制微流体系统中的气液-液-液系统提供了一个良好的模型和先例。

参考文献：Lab Chip, 2014, 14, 1632–1649

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