一種強化微反應(yīng)器內(nèi)流體混合的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工強化方法、化工設(shè)備、超聲應(yīng)用等領(lǐng)域，具體地說是一種利用超聲強化微通道內(nèi)流體混合、預(yù)防和疏通堵塞的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微反應(yīng)器是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尺寸在數(shù)微米至數(shù)毫米尺度的化工設(shè)備。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常也稱作微通道。相對于傳統(tǒng)的大型化工設(shè)備，微反應(yīng)器具有比表面高、傳熱傳質(zhì)速度快、操作安全、易于放大、占地空間小等優(yōu)點，使微反應(yīng)器成為最有前景的化工技術(shù)之一.
[0003]但微反應(yīng)器技術(shù)在開發(fā)過程中也呈現(xiàn)出一些新的亟待解決的問題。由于微通道尺寸小，流動通常處于層流狀態(tài)且表面張力作用顯著，使微通道內(nèi)多種流體的混合強化比較困難。目前常用的辦法是把微通道設(shè)計成彎折、障礙、碰撞等結(jié)構(gòu)，在局部引起渦流或混沌流來強化混合，這種微反應(yīng)器的操作區(qū)間小、壓降比較大。另外，由于微反應(yīng)器內(nèi)的微通道尺寸小，在這些彎折、障礙、碰撞等結(jié)構(gòu)處，通道容易被雜質(zhì)或者工藝流體堵塞，特別是在處理含固體或者生成固體或者粘度很大的流體時。
[0004]要解決微反應(yīng)器內(nèi)的多種流體混合強化困難、易堵塞的問題，需要在微反應(yīng)器內(nèi)引入外加能量，以預(yù)防和疏通其堵塞，進一步強化其混合。由于超聲具有穿透性好、能量密度高、安全可靠等優(yōu)點，將超聲波引入微通道中，是一種非常有效的能同時解決混合強化困難和堵塞等問題的方法。
[0005]超聲強化流體混合、預(yù)防和疏通堵塞主要是依靠超聲空化作用，即在超聲作用下流體中的空化氣泡生長、周期振動、塌縮，并在氣泡附近的流體中產(chǎn)生劇烈的沖擊波、聲流等，擾動流體以強化流體混合、傳質(zhì)。另外，超聲作用下微通道壁面的振動和氣液相界面劇烈振動所引起擾動，可破壞流體中固體或粘稠物之間的聚集或在微通道壁面的粘附，從而預(yù)防和疏通堵塞。S.Hubner 等(Ultrasound and Microstructures—A Promising Combinat1n, ChemSusChem2012, 5，279 - 288)直接將超聲傳到微反應(yīng)器中，發(fā)現(xiàn)超聲空化作用能有效促進油水之間的混合、提高P-硝基苯醋酸脂水解的收率。Simon Kuhn等(A Teflonmicroreactor with integrated piezoelectric actuator to handle solid formingreact1ns, Lab Chip, 2011，11，2488 - 2492)將超聲引入到微反應(yīng)器內(nèi)部的微通道中，發(fā)現(xiàn)超聲空化作用能有效破壞碳氮偶聯(lián)反應(yīng)中產(chǎn)物氯化鈉晶體顆粒在微通道中的堵塞。
[0006]由于微通道內(nèi)的液體體積小，所含的空化氣泡數(shù)量比傳統(tǒng)大尺寸設(shè)備少；另外由于微通道內(nèi)流體流速往往比較高，已經(jīng)形成的空化氣泡很容易被流體沖走，從而導(dǎo)致實際運行時微通道內(nèi)的空化氣泡總數(shù)量比較少，超聲空化效果相對傳統(tǒng)設(shè)備比較差。為了進一步提高超聲強化微通道內(nèi)多種流體的混合、傳質(zhì)以及預(yù)防和疏通堵塞的效果，需要人為的增加微通道中空化氣泡的數(shù)量，從而增強超聲空化作用。Armando R.Tovar等(Lateral cavity acoustic transducer, Lab Chip, 2009，9，41 - 43)首次提出了“側(cè)腔聲驅(qū)動器”的概念，即在微通道側(cè)壁人為加工腔室或凹槽，當(dāng)液體進入微通道后，有一部分空氣被束縛在腔室或凹槽內(nèi)形成氣泡；當(dāng)給微通道施加一定頻率的超聲時，這些氣泡在超聲的作用下產(chǎn)生劇烈的振動和聲流，從而可以混合流體(流量0.8μ 1/min)或者驅(qū)動流體運動° Daniel Ahmed 等(A fast microf luidic mixer based on acousticallydriven sidewall-trapped microbubbles, Microfluid Nanofluid, 2009, 7, 727 - 731和 A millisecond micromixer via single-bubble-based acoustic streaming, LabChip, 2009，9，2738 - 2741)采用“側(cè)腔聲驅(qū)動器”的方法在微通道的側(cè)壁上或者通道中加工一些長90-240 μ m、寬60-90 μ m、深155 μ m的凹槽，當(dāng)給整個微反應(yīng)器施加70-82千赫茲的超聲時，凹槽中的氣泡在超聲的作用下產(chǎn)生劇烈的振動，并在其附近形成劇烈的聲流漩渦以促進混合，在流量6-16 μ ml/min時可將混合時間降低到7-120毫秒。
[0007]綜上所述，微通道內(nèi)僅靠超聲強化混合的方法空化氣泡總量少，高流速下易流失?！皞?cè)腔聲驅(qū)動器”強化微通道內(nèi)流體混合以及預(yù)防和疏通堵塞的方法在一定條件下能達到比較好的效果，但該方法只適用于流速比較低且微通道壁面疏水性比較強的場合。當(dāng)流量比較高時，腔室、凹槽等結(jié)構(gòu)束縛的氣泡同樣容易被流體沖走，特別是微通道壁面的疏水性比較差時，腔室、凹槽等結(jié)構(gòu)對氣泡的束縛作用較弱。另外，在高流速時，有限數(shù)量氣泡的超聲強化效果差，需要在微通道壁面加工大量的腔室、凹槽等結(jié)構(gòu)才能保證超聲強化效果，力口工成本高，且腔室、凹槽等結(jié)構(gòu)的尺寸一旦加工好后就無法再調(diào)整。另外，這種方法的超聲強化效果很難長時間穩(wěn)定運行。因為腔室、凹槽等結(jié)構(gòu)所束縛的氣泡在長時間超聲作用下可能會振碎，或者被流體吸收而變小，或者在超聲振動和液體流動的共同作用下脫離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明人進行了深入研究。發(fā)現(xiàn):如果在微通道中設(shè)置一個或者幾個氣體入口，然后通入氣體，則可以在微通道內(nèi)持續(xù)地產(chǎn)生大量的、尺寸均勻的氣泡，此時，向微通道內(nèi)施加一定頻率的超聲，利用超聲與氣相的空化作用，使微通道內(nèi)的氣相劇烈振動和運動，并在液體中引起擾動和聲流，從而能有效強化液體的混合。輸入的超聲聲強越大，流體混合強化效果越好。在一定的聲強下，當(dāng)超聲頻率f與氣相橫向等效直徑滿足特定的匹配關(guān)系時，超聲與氣相達到共振，此時氣相振動和運動最劇烈，在流體中引起的擾動和聲流最顯著，因此混合強化效果最好。在其它匹配關(guān)系下，超聲與氣相不能達到共振，此時氣液界面振動和運動較弱，強化效果較差。氣泡的數(shù)量和尺寸可通過氣體入口的氣體流量來控制，當(dāng)微通道內(nèi)液體流量比較高時，相應(yīng)的提高氣體流量就可以得到所需數(shù)量和大小的氣泡。
[0009]因此，這種方法可適用于高流速場合、能長時間穩(wěn)定運行、微通道結(jié)構(gòu)簡單，是一種強化微通道內(nèi)流體混合、預(yù)防和疏通堵塞的簡易高效的方法。
[0010]本發(fā)明基于上述研究和解析提出以下技術(shù)方案:
[0011]通過設(shè)置在微通道內(nèi)的一個或二個以上的氣體入口在微通道內(nèi)的二種以上流體中連續(xù)導(dǎo)入氣相，形成氣液多相流，調(diào)控氣相橫向等效直徑為10-5000 μ m ;同時施加頻率為16_600kHz的超聲，使氣相在超聲空化作用下劇烈振動和運動。
[0012]上述技術(shù)方案中，所述氣液多相流的流形為泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流及環(huán)狀流中的一種。優(yōu)選為泡狀流或彈狀流中的一種。氣液多相流的流形在化學(xué)工程領(lǐng)域是一個公知的概念。對于本專利中氣相在液相中形成多相流的情況，流形是指氣液多相流進入微反應(yīng)器時，氣相置于液相中的形狀。在微反應(yīng)器中，泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流及環(huán)狀流是最常見的幾種多相流流形。
[0013]所