CN106466578A - 全分散被动式多级聚焦微混合器及其混合方法和应用 - Google Patents
全分散被动式多级聚焦微混合器及其混合方法和应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种全分散被动式多级聚焦微混合器，包括1号板至5号板，设多级的级数为n，n≥2，相应4号板设有2n+1个分散通道，2号板、5号板上设有2n个通道；1号板上设有第一进料孔以及出料孔；2号板上还设有2n个流通孔以及流通孔A；3号板上还设有2n个流通孔、出口流通孔、出料通道；4号板上还设有2n个流通孔；所述1号板至5号板彼此紧密贴合固定连接；4号板中心处包含级数为n级的混合区，其中，每一级由多个楔形障碍物组成，第一级混合区楔形障碍物的个数为2n+1个，楔形障碍物的个数逐级减半至n-1级混合区，流体流经每一级混合区时，由于楔形障碍物的存在，流体会产生横向的层流剪切作用，使得在障碍物区产生混沌现象，从而强化混合过程。
Description
技术领域
本发明涉及微流体混合方面的微化工技术领域，尤其涉及一种全分散被动式多级聚焦微混合器及其混合方法和应用。
背景技术
在微通道中，由于微通道的特性，流体在微通道中的流动一般属于低雷诺数下的层流流动，主要通过分子间的扩散来实现微流体的混合，例如在一定条件下，对于100μm的扩散距离，所需要的扩散时间就高达5s，使得混合对体系的影响显著，因此需要在微化工系统中引入微混合器。
根据有无外界能量驱动可将微混合器分为被动式微混合器和主动式微混合器两类，相对于主动微混合器而言，被动式微混合器结构相对而言简单，不需要引入外场激励，避免了体系的复杂性，易于实现并集成在微化工系统中，因此研究开发新型的被动式微混合器具有重要意义。
对于在微化工系统中进行化学反应，停留时间的控制显得尤为重要，往往较短的停留时间会导致反应不完全，停留时间过长会导致生成的产物进一步反应生成副产物，从而导致收率的下降。为了控制停留时间分布，避免停留时间分布过宽，因此需要通过采用微混合器来缩短混合时间，从而避免引起停留时间分布宽化，提高整个化学反应的收率和选择性。
发明内容
为了克服现有微混合器混合时间长，混合效果不佳，混合器的加工复杂以及对加工精度和加工工艺要求高等缺陷，本发明提出了一种全分散被动式多级聚焦微混合器，同时提供一种混合方法和应用。
本发明所采用的技术方案是：
一种全分散被动式多级聚焦微混合器，包括1号板至5号板，设多级的级数为n，n≥2，相应4号板设有2n+1个分散通道，2号板、5号板上设有2n个通道；
1号板上设有第一进料孔以及一个出料孔；
2号板上还设有2n个流通孔以及一个流通孔A；
3号板上设有2n个流通孔、一个出口流通孔、一个出料通道；
3号板上的出料通道、2号板上的流通孔A、1号板上的出料孔相连通；
4号板上还设有用于5号板上通道内流体流入4号板的2n个流通孔；
所述5号板上的2n个通道设置在4号板相邻的一面，所述5号板的另外一面上设有第二进料孔；
所述1号板至5号板彼此紧密贴合固定连接；其中，4号板上的分散通道按个数等角度划分，1/2个数的分散通道C与5号板上的通道相互对正，另1/2个数的分散通道D与2号板上的通道相互对正；
所述2、3号板上的流通孔相互对正连通；
4号板中心处包含级数为n级的混合区，其中，每一级由多个楔形障碍物组成，第一级混合区楔形障碍物的个数为2n+1个，楔形障碍物的个数逐级减半至n-1级混合区，第一级至n-1级混合区采用的楔形障碍物使流体呈Y型混合，第n级混合区楔形障碍物的个数为4，第n级采用的楔形障碍物使流体呈T型混合；流体流经每一级混合区时，由于楔形障碍物的存在，流体会产生横向的层流剪切作用，使得在障碍物区产生混沌现象，从而强化混合过程。
在2号板和5号板上根据实际所需达到的混合效果的要求设置通道数目，将流体进行分散，根据Fick定律：分子扩散时间与扩散距离的平方成正比。通过微混合器的物理构造将待混合的两股流体各自细分成n个薄层，并使其交互接触，扩散时间将缩减为原来的1/n2。
本发明所述4号板的分散通道进入4号板混合区时，采用宽度逐渐减小的通道模式，一方面减少流体通过微混合器的压降，另一方面使得流体在到达混合区前流速逐渐达到最大，从而在到混合区时强化流体的横向层流剪切作用以及流体间的碰撞效应，实现有效的混合。
第一进料孔、第二进料孔以及出口流通孔均位于微混合器的中心位置，保证进入4号板分散通道C以及分散通道D的流体分散均匀。
4号板的分散通道尺寸大小均匀一致；每一级的楔形障碍物的尺寸大小均匀一致。
4号板上分散通道最窄处的宽度和混合区每一级的所有通道宽度一致。
4号板上分散通道的宽度为0.01mm～3mm，最佳选择为目前加工精度条件下所能实现的最小尺寸。
微混合器的2号板、5号板上的通道以及4号板上分散通道最宽处的尺寸需要综合考虑到压降、积液量等因素，通道尺寸减小，相应的压降增大，但积液量减小，通道尺寸增大，相应的压降减小，但积液量增大。
微混合器的优选级数范围为3-8级，最佳级数范围为4-6级。
本发明所述的微混合器的混合方法为，一股流体从1号板的第一进料孔流入，进入2号板的通道向四周分散，依次流经2号板的流通孔及3号板的流通孔，继而流入4号板的分散通道D，另一股流体从5号板上第二进料孔流入，进入5号板的通道向四周分散，经4号板的流通孔流入4号板的分散通道C，两股流体交错排列在分散通道C和分散通道D中，然后先以Y型混合的方式经过n-1级进行混合流体，混合后的流体再以1级T型混合的方式进一步混合，混合后的流体经3号板的出口流通孔流入出料通道，再流经2号板的流通孔A，通过1号板的出料孔流出微混合器。
本发明所述全分散被动式多级聚焦微混合器在精细化工、医药、纳米材料等领域上的应用。本发明可以应用在苯硼酸的合成反应、聚合物合成反应、芳烃硝化反应、柴油和水的乳化液合成、纳米碳酸钙的制备等一系列反应中。
本发明的工作原理是：两股流体分别流经2号板、5号板后流体分散进入4号板，使得流体的扩散厚度减小，减小了扩散时间，流体流经4号板混合区障碍物时由于层流剪切作用的存在，从而产生混沌对流现象，另外，在混合区流体由Y型混合逐步变为T型混合的过程中，流体的碰撞作用逐步加强，同时，由于混合区流体通道数目的成倍缩小，从而使得流体流速加快，进一步加剧了流体在混合区的碰撞效应以及混沌对流效应，通过以上方式完成流体的混合过程。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.流体在2号板和5号板上根据实际所要达到的混合效果的要求进行分散，利用流体的分散来减小扩散厚度，实现扩散时间的减小，从而达到较好的混合。
2.为了确保进料流体在4号板上分散通道分布的均匀性，需要将两股进料都设在微混合器的中心处，同时为了保证合适的出口位置，我们采用5块板的方式来实现流体的均布，避免了其他方式导致进料流体的不均匀分布。
3.在4号板上的混合区采用引入楔形障碍物的方式来引导流体的流动，同时使其产生层流剪切效应，流体流经楔形障碍物时产生混沌流从而促进混合，大幅度提高了混合效果。
4.流体由4号板分散通道进入4号板混合区时，采用宽度逐渐减小的通道模式，一方面可以减少流体通过微混合器的压降，另一方面可以使得流体在到达混合区前流速逐渐达到最大，从而在到混合区时强化流体的横向层流剪切作用以及流体间的碰撞效应，实现有效的混合。
5.流体由4号板上一级混合区进入下一级混合区时，流体通道的数目会相应减半，从而提高了通道中流体的质量流速，加剧了流体进入下一混合区时的层流剪切作用以及流体间的碰撞，进一步加大流体的扰动，促进混合过程。
6.流体经过每一级混合区时，相邻两股流体间的夹角会逐渐扩大，流体间的碰撞效果加剧，最终使流体由Y型混合逐步变成彻底的T型混合，可以进一步促进流体的混合效果。
7.本发明中的微混合器的核心在于4号板上的高度集成的多级聚焦混合，与很多依赖于极小的通道尺寸、复杂三维结构来实现混合过程相比，本发明可以实现多级混合的高度集成，同时避免对加工方面的过高要求，在现有的加工精度和加工工艺条件下依旧实现较好的混合效果。
附图说明
图1为全分散两级聚焦微混合器的三维示意图，其中，1-5为1-5号板；1号板上1.1为第一进料孔，1.2为出料孔；2号板上2.1至2.4为通道，2.5至2.9为流通孔；3号板上3.1至3.4为流通孔，3.5为出口流通孔、3.6为出料通道；4号板上4.1至4.8为分散通道，4.9至4.12为流通孔，4.13为一级混合区，4.14为二级混合区；5号板上5.1至5.4为通道，5.5为第二进料孔。
图2为全分散两级聚焦微混合器1号板的详细示意图。
图3为全分散两级聚焦微混合器2号板的详细示意图。
图4为全分散两级聚焦微混合器3号板的详细示意图。
图5为全分散两级聚焦微混合器4号板的详细示意图。
图6为全分散两级聚焦微混合器5号板的详细示意图。
图7为全分散两级聚焦微混合器中4号板的三维示意图以及相应的混合区放大示意图。
图8为全分散三级聚焦微混合器中4号板的三维示意图以及相应的混合区放大示意图。
图9为全分散四级聚焦微混合器中4号板的三维示意图以及相应的混合区放大示意图。
具体实施方式
实施例1
如图1至图7所示的全分散二级聚焦微混合器，包括1号板至5号板，相应的4号板为八通道制式，1号板上开设有第一进料孔1.1以及出料孔1.2；2号板上开设有通道2.1至2.4以及流通孔2.5至2.8；3号板上开设有流通孔3.1至3.4、出口流通孔3.5、出料通道3.6；4号板开设有分散通道4.1至4.8，流通孔4.9至4.12；5号板与4号板相邻的一面上开设有通道5.1至5.4，5号板的另外一面上开设有第二进料孔5.5；1号板至5号板彼此紧密贴合固定连接；通道5.1至5.4与通道4.5至4.8相互对正，通道2.1至2.4与通道4.1至4.4相互对正，流通孔2.5至2.8与流通孔3.1至3.4相互对正，流通孔1.2与流通孔2.6相互对正；两股流体流经4号板交错排列在分散通道4.1至4.4和分散通道4.5至4.8中，4号板的中心处包含一级混合区4.13，以及二级混合区4.14。
采用5块板相叠加的方式来保证流体的第一进料孔1.1、第二进料孔5.5以及出口流通孔3.5都位于微混合器的中心位置，保证进入4号板通道4.1至4.4以及通道4.5至4.8流体的均匀分布，一级混合区4.13以及二级混合区4.14的通道尺寸大小均匀一致。通过机械加工的方式加工全分散两级聚焦微混合器，其中，核心部件4号板通道为八通道制式，4.1至4.8宽度尺寸采用从四周向中心逐渐缩小聚焦的方式，从而减少流体流经微混合器所产生的压降，相应最宽处通道尺寸为2mm，最窄处通道尺寸为0.6mm，4号板所采用的所有通道深度均为0.6mm。2号板、5号板上相应的通道数目均为四通道，相应的通道尺寸为深0.6mm，宽2mm。
4号板上混合区的级数为2级，分别为采用Y型混合的一级混合区和采用T型混合的二级混合区，一级混合区通道数目为四通道，通道宽度为0.6mm。
全分散两级聚焦微混合器的混合方法，如图1所示，两股流体A、B通过该微混合器进行混合，A流体从1号板的流通孔1.1流入，进入通道2.1至2.4向四周分散，依次流经流通孔2.5至2.8及流通孔3.1至3.4，继而流入分散通道4.1至4.4，B流体从5号板上第二进料孔5.5流入，进入通道5.1至5.4向四周分散，经流通孔4.9至4.12流入分散通道4.5至4.8，两股流体交错排列在分散通道4.1至4.4和分散通道4.5至4.8中，然后在一级混合区4.13以Y型混合的方式混合流体，混合后的流体于二级混合区4.14以T型混合的方式进一步混合，混合后的流体经出口流通孔3.5流入出料通道3.6，再流经流通孔2.9，通过出料孔1.2流出微混合器。
实施例2
与实施例1不同之处为：核心部件4号板采用十六通道三级聚焦的方式，如图8所示，所述4号板中分散通道数目为十六通道，相应最宽处通道宽度为1.8mm，最窄处通道宽度为0.4mm。一级混合区至二级混合区道数目由八通道变为四通道，通道宽度为0.4mm。4号板所采用的所有通道深度均为0.5mm，2号板、5号板上相应的通道均为八通道。
实施例3
与实施例1不同之处为：核心部件4号板采用三十二通道四级聚焦的方式，如图9所示，所述4号板中分散通道数目为三十二通道，相应最宽处通道宽度为1.5mm,最窄处通道宽度为0.3mm。一级混合区至三级混合区通道数目由十六通道变为八通道再变为四通道，通道宽度为0.3mm。4号板所采用的所有通道深度均为0.3mm。2号板、5号板上相应的通道均为十六通道。
Claims (10)
1.一种全分散被动式多级聚焦微混合器，其特征在于：包括1号板至5号板，设多级的级数为n，n≥2，相应4号板设有2n+1个分散通道，2号板、5号板上设有2n个通道；
1号板上设有第一进料孔以及一个出料孔；
2号板上还设有2n个流通孔以及一个流通孔A；
3号板上设有2n个流通孔、一个出口流通孔、一个出料通道；
3号板上的出料通道、2号板上的流通孔A、1号板上的出料孔相连通；
4号板上还设有用于5号板上通道内流体流入4号板的2n个流通孔；
所述5号板上的2n个通道设置在4号板相邻的一面，所述5号板的另外一面上设有第二进料孔；
所述1号板至5号板彼此紧密贴合固定连接；其中，4号板上的分散通道按个数等角度划分，1/2个数的分散通道C与5号板上的通道相互对正，另1/2个数的分散通道D与2号板上的通道相互对正；
所述2、3号板上的流通孔相互对正连通；
4号板中心处包含级数为n级的混合区，其中，每一级由多个楔形障碍物组成，第一级混合区楔形障碍物的个数为2n+1个，楔形障碍物的个数逐级减半至n-1级混合区，第一级至n-1级混合区采用的楔形障碍物使流体呈Y型混合，第n级混合区楔形障碍物的个数为4，第n级采用的楔形障碍物使流体呈T型混合；流体流经每一级混合区时，由于楔形障碍物的存在，流体会产生横向的层流剪切作用，使得在障碍物区产生混沌现象，从而强化混合过程。
2.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：4号板的分散通道进入4号板混合区时，采用宽度逐渐减小的通道模式，一方面减少流体通过微混合器的压降，另一方面使得流体在到达混合区前流速逐渐达到最大，从而在到混合区时强化流体的横向层流剪切作用以及流体间的碰撞效应，实现有效的混合。
3.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：第一进料孔、第二进料孔以及出口流通孔均位于微混合器的中心位置，保证进入4号板分散通道C以及分散通道D的流体分散均匀。
4.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：4号板的分散通道尺寸大小均匀一致；每一级的楔形障碍物的尺寸大小均匀一致。
5.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：4号板上分散通道最窄处的宽度和混合区每一级的所有通道宽度一致。
6.根据权利要求5所述的微混合器，其特征在于：4号板上分散通道的宽度为0.01mm～3mm。
7.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：微混合器的优选级数为3-8级。
8.根据权利要求1所述的微混合器，其特征在于：微混合器的最佳级数为4-6级。
9.根据权利要求1-8任一所述全分散被动式多级聚焦微混合器的混合方法，其特征在于：一股流体从1号板的第一进料孔流入，进入2号板的通道向四周分散，依次流经2号板的流通孔及3号板的流通孔，继而流入4号板的分散通道D，另一股流体从5号板上第二进料孔流入，进入5号板的通道向四周分散，经4号板的流通孔流入4号板的分散通道C，两股流体交错排列在分散通道C和分散通道D中，然后先以Y型混合的方式经过n-1级进行混合流体，混合后的流体再以1级T型混合的方式进一步混合，混合后的流体经3号板的出口流通孔流入出料通道，再流经2号板的流通孔A，通过1号板的出料孔流出微混合器。
10.一种权利要求1-8任一所述全分散被动式多级聚焦微混合器在精细化工、医药、纳米材料领域上的应用。
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