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微混合反应器的那些事儿



微混合反应器的那些事儿

引言

无锡雷特石化精馏塔  自20世纪90年代以来,随着纳米材料以及微机电系统的迅速发展,人们对小尺寸和快速过程领域进行了大量的研究,微化工技术随之兴起,涉及化工、电子、化学、物理、材料等各种工程技术和学科[1]。其中微结构中的混合行为在最近几年得到重视,微混合器是微流控中的重要组成部分。微混合器还可以作为一种环境检测的传感器,如氨在水溶液中的含量测定[2]。微混合器具有独特的优越性,试剂消耗量少,响应时间短,效率高,易于自动化和小型化。

微混合器的分类

目前微混合器可以分为两种:一种是主动混合器,一种是被动混合器。主动混合器需要外部能量的诱发才能达到混合效果,包含声波扰动、压力扰动、微搅拌、磁驱动流体、电驱动流体、热驱动;被动混合器不需要外部的能量源,主要依赖于通道的几何形状,如诱发混沌对流、流体分层流、蛇形通道、开槽通道等。

1.1主动混合器

主动混合器的外加扰动源有很多,主要通过外力产生混沌水平对流,它在微混合中非常有效,仅需要很短的混合距离。Lee[3]等研究过压力驱动、热驱动的微混合器。Frederick Bottausci[4]等报道了一种三维主动微混合器,如图1所示。

射流扰动微混合器结构示意图

主混和管道内的流体受到三对支流道内的射流扰动,而支流内的扰动主要由泵控制。通过使用不同的流体对混合器的混合效果进行评价,通过改变支流道内扰动的频率与振幅来形成不同流型。

Deshmukh[5]等人报道了一种使用脉冲式微泵的微混合器,其原理主要是利用脉冲式微泵获得的脉冲流拉长层流,以增加液体间的接触面积从而可以获得更快的混合。混合器的示意图如图2所示,通过周期性控制气泡的生成可以得到微泵的工作过程。

脉动式微泵的微混合器示意图

1.2 被动混合器

1.2.1被动混合器混合的理论基础

在微混合器中,系统的结构尺寸通常小于数百微米,使得微混合器的混合机理与宏观的混合器有很大的差别。宏观混合器主要是利用外部力量使混合器内的流体呈现湍流状态,从而达到混合效果。在宏观流体中,雷诺数Re=2300是一个临界值,其上为湍流,其下为层流。由于微混合器的特征尺寸在微米级,其雷诺数远小于2300,所以流体流动多为层流。在层流的条件下要想达到较好的混合效果,其方法主要有:拉长或者剪切层流,以增加流体间的接触面积;混沌对流,通过增强流体界面区域的拉伸与折叠,以产生更大的流体间接触面积,从而达到快速混合;微接触,不互溶的两项体系在同一个微通道或分别在相互接触的两个通道内流动,形成平行的流体层,通过相界面实现两相的微接触;分散混合,通过管路的几何形状将大的液流分成小组分,产生更大的界面区域,以便实现有效的混合。

1.2.2 硅油和水在混合器中的混合实验

为了研究混合器的混合效果,采用硅油和水为原料进行混合,研究通道结构和操作条件对混合效果的影响。山东豪迈化工技术有限公司研制的混合器有多种型号,如星型混合器、间壁交叉混合器、间壁交叉换热混合器、分离重组混合器等。

间壁交叉混合反应器

本实验采用硅油和水这两种不互溶的液体作为流体进料,在间壁交叉混合反应器中考察几何通道和操作条件对硅油和水混合效果的影响[6]。本次实验分为两组,第一组实验采用硅油与染色水进行混合;第二组实验采用硅油与纯水进行混合。第一组实验中采用的染色剂为离子芳香化合物蓝色93,其蓝色93可以看做是一种弱稳定性的分散物质。

硅油和水机械搅拌得到的相图

首先硅油和水采用机械搅拌进行混合时,不能得到较为稳定的分散剂,在图像中只能观察到较大体积的流体碎片,如图4所示。硅油和水采用机械搅拌进行混合时,混合效果不佳,得不到均匀稳定的分散剂。

硅油和水在间壁交叉混合器中进行混合实验时,选取硅油的流速为20ml/h,染色水的流速为200ml/h,混合器的通道尺寸为25um。在此条件下进行混合后可以得到均匀的液体,其粒径在50um左右,如图5a)所示。在此操作条件下,液滴大小的密度分布图如图5b)所示。从图中可以看出,大约75%的液滴粒径在40-50um之间,20%的液滴粒径在15-25um之间,剩下的5%的液滴粒径大于50um

硅油和水在混合器中的混合效果

为了更加详细的研究混合器的通道大小和操作条件对硅油和水混合效果的影响,采用间壁交叉混合器做了大量的实验。在通道尺寸为25um时,采用不同的操作条件得到的混合效果图如图6所示。

不同操作条件下的混合效果图

从图6中可以看出,在通道尺寸大小一定的情况下,两股液体的进料比例不同,其混合效果不同。随着进料比例的增加,生成的液滴尺寸逐渐减小,说明混合器的混合效果越好。从图中还可以看出,两股液体的总流速增加时,也可以提高混合器的混合效果,使得生成的液滴尺寸越来越小。

总流速对混合效果的影响

为了进一步证明这一混合趋势,固定两股进料的比例为1:1,通道尺寸大小为25um,逐渐增加两股流体的总流速,考察其混合效果,其结果如图7所示。从图中可以明显的看出,随着两股流体的总流速增加,生成的液滴尺寸越来越小,说明混合器的混合效果越来越好。综上所述,当流体的总流速增加,两流体的进料比例增大时,生成的液滴的尺寸越来越小,混合器的混合效果越来越好。

为了考察通道大小对混合器混合效果的影响,本次实验选用两种尺寸型号的混合器进行对比实验,其中一个通道尺寸为40um,另一个混合器的通道尺寸为25um。固定两种流体的进料比例,观察通道大小对混合效果的影响,其结果如图8所示。从图中可以看出,混合器的通道尺寸越小,得到的液滴尺寸越小,其混合效果越好。当把液滴尺寸与混合器的通道进行比较时发现,生成的液滴尺寸明显比混合器的通道尺寸小的多,如图9所示。


通道尺寸大小对混合效果的影响

液滴大小与反应通道大小的对比

为了避免染色剂对硅油和水混合实验的影响,本次实验采用纯水和硅油进行混合,采用的混合器的通道尺寸为25um。当总流速为750ml/h时,纯水和硅油的进料比例为14:1,当总流速为720ml/h时,纯水和硅油的进料比例为351,考察这两种操作条件下,硅油和水的混合效果,其结果如图10所示。

10 硅油和纯水的混合效果

从图中可以看出,水和硅油混合的变化规律与染色水和硅油混合的变化趋势一致,当两者的进料比例增加时,混合后得到的液滴尺寸变小,并且生成的液滴大小相对集中,液滴尺寸比较均匀。

综上所述,间壁交叉混合器的混合效果较好,硅油和水在混合器中可以达到很好的混合效果,混合后得到的液滴较为均匀,粒径较小。


参考文献

[1] Gavriilidis A, Angeli P, Cao E, et al. Technology and Applications of Microengineered Reactors[J]. Chemical Engineering Research & Design, 2002, 80(1):3-30.

[2] Veenstra T T, Lammerink T S J, Elwenspoek M C, et al. Characterization method for a new diffusion mixer applicable in micro flow injection analysis systems[J]. Journal of Micromechanics & Microengineering, 1998, 9(2):199.

[3] Lee Y K, Deval J, Tabeling P, et al. Chaotic Mixing In Electrokinetically And Pressure Driven Micro Flows[J]. 2001:483-486.

[4] Bottausci F, Cardonne C, Mezic I, et al. An Actively Controlled Micromixer: 3-D Experiments and Simulations[C]// APS Division of Fluid Dynamics Meeting. APS Division of Fluid Dynamics Meeting Abstracts, 2003.

[5] Deshmukh A A, Liepmann D, Pisano A P. CONTINUOUS MICROMIXER WITH PULSATILE MICROPUMPS[J]. Technical Digest of the IEEE Solid State Sensor and Actuator Workshop (Hilton Head Island, SC, 2000:73--76.

[6] Haverkamp V, Ehrfeld W, Gebauer K, et al. The potential of micromixers for contacting of disperse liquid phases[J]. Fresenius Journal of Analytical Chemistry, 1999, 364(7):617-624.


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