团队与中科院大连化物所合作的最新研究成果发表在化工顶级期刊AIChE Journal上
微反应器因其具有通道尺寸小、热质传递速率快以及安全可控等优势，被广泛用于精细化工和医药合成等领域。但常规微反应器在应用过程中易存在颗粒堵塞和放大困难等问题，致使其大规模工业应用受到限制。将超声波与微反应器结合被普遍认为是解决堵塞等问题的最有效途径，但常用的连续正弦超声波由于负载功率较大，往往会导致反应器的温度显著升高，阻碍了超声微反应器的工业应用。
为此，化学与精细化工广东省实验室高端微反应器与流动化学研究组组长董正亚副研究员和中国科学院大连化学物理研究所陈光文研究员合作，创新性地提出通过优化超声波波形与脉冲参数来提高超声强化的能量效率。文章系统研究了不同超声波波形（矩形、三角形、正弦形、脉冲形）对微反应器中气液传质性能的影响；发现通过优化脉冲超声波的占空比和脉冲周期，在占空比为67%时脉冲超声的传质系数最高可达连续超声作用下的92%，从而可节省33%的能量消耗。相关具体内容以题为Effect of ultrasonic waveforms on gas–liquid mass transfer in microreactors的文章发表在化工顶级期刊AIChE Journal上（DOI:10.1002/aic.17689）。
图1脉冲超声波的占空比（D）与周期（T）对气液传质系数的影响
该项工作系统研究了矩形、三角形、正弦形和脉冲形对微通道中气液两相流（CO2和水）传质的影响。
研究发现：
- 矩形波比其他两种波形更能促进气液界面震荡从而得到更好的传质强化效果；
- 对于给定的平均负载功率，由于较强的空化行为，在较短的周期内集中超声负载功率会获得更高的传质系数；
- 对于给定的平均负载功率和占空比，减少脉冲周期会导致传质系数的增加；当脉冲周期减小至某一临界值时，传质系数会恒定在一个高水平。
文章通过优化脉冲占空比和脉冲周期，得到占空比为67%时，可获得相当于连续超声作用下92%的传质系数，节省了33%的功耗。该研究结果打开了超声波波形优化和能量效率提高的巨大空间，有助于加快超声反应器特别是超声微反应器在化学工业的广泛应用。
文章引用: Zhang Q, Dong Z, Liu Z, Chen G. Effect of ultrasonic waveforms on gas–liquid mass transfer in microreactors. AIChE J. 2022; e17689. doi:10.1002/aic.17689
