CN112206695A - 一种多层次结构微通道混合器及其流体混合方法 - Google Patents

一种多层次结构微通道混合器及其流体混合方法 Download PDF

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Abstract

一种多层次结构微通道混合器，包括一块基板和一块封板，基板上设有左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧的两个进样储液室、两个入口通道、两组流体分布通道网、两组工艺流体通道、一个流体对撞混合腔、一个流体强化混合通道和一个出口缓冲室。将两种待混合的流体分别输送至两个进样储液室，两种流体各自经进样储液室进入入口通道，经多级流体分布通道分布后进入工艺流体通道，流出工艺流体通道后形成两股相向撞击流，混合后在流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的作用下产生涡流或二次流，最终混合后的流体混合物经出口缓冲室流出混合器。本发明的多层次结构微通道混合器具有操作条件范围宽、混合效果好、传质系数高、压降小和能耗低的优点。

Description

一种多层次结构微通道混合器及其流体混合方法
技术领域
本发明属于化工设备技术领域，具体涉及一种微通道混合器，是用于均相、不互溶液-液两相和气-液两相流体间快速、高效混合的设备和方法。
背景技术
微通道混合器是指具有通道水力直径在数十微米至数毫米范围的微混合设备(W.Enrfeld,V.Hessel,H.Lowe,Microreactors：New Technology for Modern Chemistry,Wiley VCH,Weinheim,Germany,2000；Chemical Micro Process Engineering,V.Hessel,H.Lowe,Wiley VCH,Weinheim,Germany,2004)。该设备是微反应流动化学(Micro ReactionFlow Chemistry)合成系统中实现流体物料混合的关键部件，其性能直接决定化学反应的转化率、选择性、收率、能耗和产品质量等。由于微尺度的通道内流体流动的雷诺数小，处于层流状态，其物料混合过程主要依靠分子扩散。根据扩散过程理论可知，扩散时间与扩散距离的平方成正比(Cussler E.L.,Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems,Cambridge University Press,New York,1984,52-53.)，因此一般而言，液体介质中分子的扩散传递过程较为缓慢，例如水介质中，分子扩散1μm约需1s，若扩散1mm，则需要近1000s(Miyake et al.,Micromixer with Fast Diffusion,Proceedings IEEE Micro ElectroMechanical Systems,1993,7,248-253)。因此，研究开发高效的微通道混合器及微尺度混合方法意义重大。
为了强化微尺度空间流体混合过程，常常通过改变通道的几何构型、引入外场(或外力)等方法，以增加流体间的接触面积、缩短扩散距离，产生扰动、二次涡流及混沌对流等，从而提高混合度和混合效率。微通道混合器分为两种：一种为主动式微混合器，另一种为被动式微混合器。主动式混合器是指借助外部能量对微通道内流体流场进行扰动以使得流体间接触面积增加以及分子扩散作用加剧，引发流体快速、高效地混合，最终提高混合度及混合效率，主要包括微搅拌、压力扰动、声波扰动、电驱动流体、磁驱动流体、热驱动等。主动式混合器的缺点是难以集成化，制造难度高，成本高以及工业放大困难。被动式混合器则无需外部能量源，主要通过设计改变通道几何构型来实现特定流场结构，增大流体间的有效接触面积，缩短分子扩散距离，增强对流、混沌对流或二次涡流等，从而达到提高混合度和混合性能的目的，例如常用的通道几何结构有开槽通道、流体分层流、蛇形通道、诱发混沌对流等。被动式混合器具有结构简单、方便控制、易于集成，且无需外部动力源输入等优点，得到了广泛的关注。
被动式微混合器中，常见的T型或Y型微混合器结构简单、加工方便，但流型复杂，混合过程依赖于只能在非常有限的操作条件下产生的特定流型，导致过程操控困难，实用性差(Jovanovic et al.,Liquid–Liquid Flow in a Capillary Microreactor:Hydrodynamic Flow Patterns and Extraction Performance,Industrial&EngineeringChemistry Research,2012,51,1015-1026；Kashid et al.,Hydrodynamics of Liquid–Liquid Slug Flow Capillary Microreactor:Flow Regimes,Slug Size and PressureDrop,Chemical Engineering Journal,2007,131,1-13；Zhao et al.,Liquid-LiquidTwo-phase Mass Transfer in the T-junction Microchannels,AIChE Journal,2007,53,3042-3053)。中国专利CN101873890B、美国专利US7939033和世界专利WO2009/009129均公开了一种“心形”结构微通道反应器，通过诱导形成旋涡和回旋流在高流速条件下能达到较好的混合效果和较高的传质系数，但其压降过大，且在底流速条件下容易出现不互溶两相流体分层的问题(Wu et al.,Hydrodynamic Study of Single-and Two-Phase Flow inan Advanced Flow Reactor,Industrial&Engineering Chemistry Research,2015,54,7554-7564)。Stroock等(Chaotic Mixer for Microchannels,Science,2002,295,647-651)提出了一种交错排列人字形微混合器，该混合器通过在微通道内部设置与流动方向成一定角度的人字形凸起来产生横向流，从而产生混沌对流，加速混合，然而该混合器通常也只有在较大雷诺数条件下才能获得较佳混合效果，此外还存在压力降大、能耗高、易堵塞及安装清洗不便等弊端。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种操作条件范围宽、混合效果好、传质系数高、压降小和能耗低的微通道混合器。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，通过改进微通道混合器几何结构来强化均相、不互溶液-液两相或气-液两相流体物料间的混合效果，提供一种混合效果好、传质系数高、压降小和能耗低的多层次结构微通道混合器及其流体物料混合方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种多层次结构微通道混合器，包括一块基板和一块封板，基板上设有两个进样储液室、两个入口通道、两组流体分布通道网、两组工艺流体通道、一个流体对撞混合腔、一个流体强化混合通道和一个出口缓冲室；封板上设有两个分别与进样储液室连通的通孔作为待混合流体物料的进口和一个与出口缓冲室连通的通孔作为混合后流体物料的出口；每个进样储液室的一端通过待混合流体物料的进口与外部进料管连通，另一端与入口通道连通；每个入口通道都通过一组流体分布通道网与一组工艺流体通道连通；
每组流体分布通道网都由N级(N为大于0，且小于等于10的任何正整数)水力直径不同的流体分布通道构成，其中，第一级流体分布通道与入口通道直接连通，第N级流体分布通道或分成2N股支流通道与2N个下一级(即N+1级)流体分布通道连通，或分成2(N+1)股支流与2(N+1)个工艺流体通道连通；每个流体分布通道都分成两个支流通道；任意一个流体分布通道的支流通道或与下一级流体分布通道连通，或与工艺流体通道连通；最后一级流体分布通道的每个支流通道进一步分成两路分支与两个工艺流体通道连通；
工艺流体通道一端与最后一级流体分布通道的支流通道连通，另一端位于流体对撞混合腔内；分别与两个入口通道连通的两组工艺流体通道左右对称布置在流体对撞混合腔的两侧；工艺流体通道在流体对撞混合腔的出口成尖锥形；流体对撞混合腔与流体强化混合通道直接连通；流体对撞混合腔和流体强化混合通道内安装有内构件或在壁面安装有折流挡板；流体强化混合通道与出口缓冲室连通；出口缓冲室通过混合后流体物料的出口与外部管线连通。
入口通道与第一级流体分布通道的夹角为α；α的范围是70°≤α≤130°。
入口通道与第一级流体分布通道的夹角α的大小直接影响流体在第一级流体分布通道内的流体流量分布，即影响流体进入第一级流体分布通道的两个支流通道的流量分配比，进而影响本发明的微通道混合器最终的流体物料混合效果和总压降。
任意一个流体分布通道的支流通道与下一级流体分布通道的夹角为β；β的范围是70°≤β≤130°。
β的大小直接影响流体在下一级流体分布通道内的流体流量分布，即影响流体进入下一级流体分布通道的两个支流通道的流量分配比，这会对本发明的微通道混合器最终的流体物料混合效果和总压降产生较大影响。
两个工艺流体通道与所共同连接的最后一级流体分布通道的支流通道之间形成夹角γ；γ的范围是95°≤γ≤150°；γ的大小对本发明的微通道混合器最终的流体物料混合效果和总压降产生较大影响。
入口通道的横截面是矩形。
入口通道的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～500mm。
两个入口通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧。
流体分布通道的横截面是矩形，第一级流体分布通道的宽度为0.1～30mm，深度为0.1～15mm，长度为1～200mm；第N级流体分布通道的宽度、深度和长度分别为上一级(即N-1级，N>>2的正整数)流体分布通道的宽度的40％～90％，深度的40％～90％，长度的20％～80％。
工艺流体通道的横截面是矩形。
流体对撞混合腔的横截面是矩形。
流体强化混合通道的横截面是矩形。
工艺流体通道的宽度为50～1000μm，深度为50～1000μm，长度为1～200mm。
流体对撞混合腔的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～500mm。
流体强化混合通道的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～1000mm。
流体对撞混合腔的折流挡板间隔安装在两侧壁面，且与壁面形成夹角θ；
流体对撞混合腔的折流挡板与流体对撞混合腔壁面的夹角θ的范围是20°≤θ≤160°。
流体对撞混合腔内折流挡板与壁面形成夹角θ的大小对流体混合过程产生较大影响。
流体对撞混合腔内的折流挡板与流体对撞混合腔壁面的夹角θ小于90°时为前倾式挡板，θ大于90°时为后倾式挡板，θ等于90°时为直立式挡板。
流体对撞混合腔内所有的折流挡板或内构件的安装位置与工艺流体通道的中心轴线的位置叉开，不在同一水平面，且最好使得所有紧邻工艺流体通道的折流挡板或内构件到最近的工艺流体通道的中心轴线的距离为50～800μm。
流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的高度等于流体对撞混合腔的深度。
流体对撞混合腔内的折流挡板的宽度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～0.9倍。
流体对撞混合腔内的折流挡板的长度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～2.0倍。
流体对撞混合腔内的内构件的宽度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～0.9倍。
流体对撞混合腔内的内构件的长度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～2.0倍。
流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～5mm。
流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件紧密布置或疏松布置，紧密布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～500μm；在疏松布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔500μm～5mm；流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件紧密布置更有利于增强流体混合程度和传质系数。
流体强化混合通道的折流挡板间隔安装在流体强化混合通道的两侧壁面，且与壁面形成夹角
Figure BDA0002685636950000042
流体强化混合通道内的折流挡板与流体强化混合通道壁面的夹角
Figure BDA0002685636950000043
范围是
Figure BDA0002685636950000041
流体强化混合通道内折流挡板与壁面形成夹角
Figure BDA0002685636950000044
的大小对流体混合过程产生较大影响。
流体强化混合通道内的折流挡板与流体强化混合通道壁面的夹角
Figure BDA0002685636950000045
小于90°时为前倾式挡板，
Figure BDA0002685636950000046
大于90°时为后倾式挡板，
Figure BDA0002685636950000047
等于90°时为直立式挡板。
流体强化混合通道内的折流挡板或内构件的高度等于流体强化混合通道的深度。
流体强化混合通道内的折流挡板的宽度是流体强化混合通道的宽度的0.1～0.9倍。
流体强化混合通道内的折流挡板的长度是流体强化混合通道的宽度的0.1～2.0倍。
流体强化混合通道内的内构件的宽度是流体强化混合通道的宽度的0.1～0.9倍。
流体强化混合通道内的内构件的长度是流体强化混合通道的宽度的0.1～2.0倍。
流体强化混合通道内的折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～5mm。
流体强化混合通道内的折流挡板或内构件紧密布置或疏松布置，紧密布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～500μm；在疏松布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔500μm～5mm；流体强化混合通道内的折流挡板或内构件紧密布置更有利于增强流体混合程度和传质系数。
工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口成尖锥形，尖锥出口的宽度为1～500μm。
工艺流体通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧。
位于流体对撞混合腔同一侧的所有工艺流体通道构成一组工艺流体通道。
任意一对左右对称布置于流体对撞混合腔两侧的工艺流体通道在流体对撞混合腔内的尖锥出口之间的间距为10～500μm。
位于流体对撞混合腔同一侧的所有流体分布通道构成一组流体分布通道网。
内构件可以是星形内构件、X形内构件或Y形内构件。
两个进样储液室、两个入口通道、两组流体分布通道网、两组工艺流体通道、一个流体对撞混合腔、一个流体强化混合通道和一个出口缓冲室都设于同一块基板上，且将入口通道、流体分布通道网和工艺流体通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧，不但能充分利用流体的撞击动能，实现流体物料的快速高效混合，而且有利于减小压降。
多层次结构微通道混合器的流体混合方法为：用泵将两种待混合的流体分别输送至两个进样储液室，两种流体各自经进样储液室进入入口通道，经多级流体分布通道分布后进入工艺流体通道，流出工艺流体通道后形成两股相向撞击流在流体对撞混合腔内相向撞击混合，紧接着混合流体在流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的作用下产生涡流或二次流，流体混合程度得以提高，然后混合流体进入流体强化混合通道，流体强化混合通道内折流挡板或内构件的存在促使流经的流体混合物形成涡流或二次流，进一步加剧流体扰动，从而进一步强化混合和提高流体物料间的混合程度，最终混合后的流体混合物经出口缓冲室流出混合器。
本发明和现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)进入入口通道的流体经多级流体分布通道分成多股支流后，再进入多个工艺流体通道，工艺流体通道的水力直径非常小，可大幅提高流体流动速度，且其在流体对撞混合腔的出口成尖锥形，以此进一步提高流体从工艺流体通道出口的射出速度，两股流体从左右对称的工艺流体通道高速射出后在微尺度空间内相向高速撞击，可实现流体的快速高效混合。
(2)流体对撞混合腔内安装有内构件或壁面安装有折流挡板，它们可诱发涡流或二次流，加剧流体扰动，强化混合和提高混合程度。
(3)流体强化混合通道内也安装有内构件或壁面安装有折流挡板，通过促使流经的流体混合物形成涡流或二次流，进一步加剧流体扰动，从而进一步强化混合和提高流体物料间的混合效果。
(4)通过上述混合通道结构的设计，可使低流速和高流速的流体都实现快速高效地混合。
(5)设计多级流体分布通道将从入口通道进入的流体进行逐级分流，可有效减小总压降。
因此，本发明的多层次结构微通道混合器具有操作条件范围宽、成本低、混合效果好、传质系数高、压降小和能耗低等优点，具有良好的工业应用前景。
本发明的多层次结构微通道混合器适用于混合任何流体物料，比如均相流体物料间的混合、气-液混合和不互溶液-液物料间的混合等，不但混合效果好，传质系数高，压降小，能耗低，而且在线持液量少，能有效控制过程危害性，特别适用于精细化工及制药工业领域中常见的危险化工工艺过程，例如氯化、硝化、氟化、加氢、重氮化、偶氮化、氧化、过氧化、磺化和烷基化等工艺过程。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳实施例的多层次结构微通道混合器示意图；
图2是图1的工艺流体通道在流体对撞混合腔的尖锥形出口的局部结构放大示意图；
图3是本发明的一个较佳实施例的多层次结构微通道混合器示意图；
图4是本发明的一个较佳实施例的流体对撞混合腔内安装有折流挡板的局部示意图；
图5是本发明的一个较佳实施例的流体强化混合通道内安装折流挡板的示意图；
图6是本发明的一个较佳实施例的流体强化混合通道内安装星形内构件的示意图；
图7是本发明的一个较佳实施例的流体强化混合通道内安装X形内构件的示意图；
图8是本发明的一个较佳实施例的流体强化混合通道内安装Y形内构件的示意图。
具体实施方式
以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。
本文述及的N级流体分布通道的N是大于0，且小于等于10的任何正整数。第N级流体分布通道的上一级流体分布通道是N-1级流体分布通道，其中N>>2的正整数。第N级流体分布通道的下一级流体分布通道是N+1级流体分布通道，其中N>>1的正整数
本文述及的2N股支流通道代表2的N次方个支流通道，2N个下一级(即N+1级)流体分布通道代表2的N次方个下一级(即N+1级)流体分布通道。
本文述及的2(N+1)股支流代表2的(N+1)次方个支流，2(N+1)个工艺流体通道代表2的(N+1)次方个工艺流体通道。
如图1所示为设有二级流体分布通道的多层次结构微通道混合器，包括进样储液室(1)、入口通道(2)、第一级流体分布通道(3)、第一级流体分布通道的支流通道(4)、第二级流体分布通道(5)、第二级流体分布通道的支流通道(6)、连接第二级流体分布通道与流体对撞混合腔的工艺流体通道(7)、流体对撞混合腔(8)、流体对撞混合腔折流挡板(9)、流体强化混合通道折流挡板(11)、流体强化混合通道(12)、出口缓冲室(13)。
进样储液室(1)的一端与外部进料管相连，另一端与入口通道(2)相连通。入口通道(2)与第一级流体分布通道(3)连通；第一级流体分布通道(3)分成两股支流通道(4)，与两个第二级流体分布通道(5)连通；每个第二级流体分布通道分成两股支流通道(6)，通过工艺流体通道(7)与流体对撞混合腔(8)连通；流体对撞混合腔(8)的壁面安装有折流挡板(9)；流体对撞混合腔(8)与流体强化混合通道(12)直接连通；流体强化混合通道(12)的壁面安装有折流挡板；流体强化混合通道(12)与出口缓冲室(13)连通；工艺流体通道(7)左右对称布置在流体对撞混合腔(8)的两侧，一端与第二级流体分布通道(5)的支流通道(6)连通，另一端的出口位于流体对撞混合腔(8)内，且其出口(10)成尖锥形(图2是其尖锥形出口的局部结构放大示意图)。
使用时，将第一流体和第二流体分别通过进样储液室(1)经入口通道(2)进入第一级流体分布通道(3)；流体在第一级流体分布通道(3)分成两股支流，进而通过第二级流体分布通道(5)分成八股细小支流；接着两种流体通过左右对称布置的工艺流体通道(7)在流体对撞混合腔(8)内相向撞击混合，形成混合物，然后在流体对撞混合腔(8)内流动混合，折流挡板(9)通过促使流体形成涡流或二次流，加剧流体扰动，强化混合；流体物料随后进入流体强化混合通道(12)，继续流动混合，并在折流挡板(11)的作用下进一步强化混合效果，最后流体混合物经出口缓冲室(13)流出混合器。左右对称分布的工艺流体通道中的流体经尖锥出口的加速后相向撞击可以有效强化分散和混合，流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件可以强化混合，流体强化混合通道内的折流挡板或内构件进一步强化混合，从而实现流体间的快速高效混合。
如图3所示为设有三级流体分布通道的多层次结构微通道混合器，相比图1所示的二级流体分布通道的多层次结构微通道混合器，增加了第三级流体分布通道(14)和第三级流体分布通道的支流通道(15)。
流体对撞混合腔或流体强化混合通道内安装折流挡板、星形内构件、X形内构件或Y形内构件的示意图如图4、5、6、7和8所示。
实施例1
本实施例中的微通道混合器包括两级流体分布通道(图1)，入口通道的宽为500μm，深500μm，长30mm。第一级流体分布通道的宽为800μm，深500μm，长40mm。入口通道与第一级流体分布通道的夹角α为90°。第二级流体分布通道的宽为500μm，深300μm，长15mm。第一级流体分布通道的支流通道与第二级流体分布通道的夹角β为90°。所有工艺流体通道的宽为250μm，深250μm，长15mm，尖锥出口的宽度为150μm(图2)。两个工艺流体通道与所共同连接的第二级流体分布通道的支流通道之间形成的夹角γ为120°。流体对撞混合腔的宽为500μm，深300μm，长60mm。流体对撞混合腔壁面安装有折流挡板(图4)，其与壁面夹角θ都为90°。流体对撞混合腔壁面折流挡板的高度为300μm，宽200μm，长250μm，两相邻折流挡板的间距400μm。任意一对左右对称布置于流体对撞混合腔两侧的工艺流体通道在流体对撞混合腔内的尖锥出口之间的间距都为200μm。流体强化混合通道的宽为500μm，深300μm，长100mm。流体强化混合通道壁面安装有折流挡板(图5)，其与壁面夹角
Figure BDA0002685636950000081
都为90°。流体强化混合通道壁面折流挡板的高度为300μm，宽200μm，长250μm，两相邻折流挡板的间距400μm。
采用Villermaux-Dushman快速平行竞争反应评价本实施例中微通道混合器的微观混合效果，该反应的方程式为：
H2BO3+H+→H3BO3
5I-+IO3 -+6H+→3I2+3H2O
I2+I-→I3 -
用离集因子Xs定量表征该微通道混合器的微观混合效果，其由下式计算得出：
Figure BDA0002685636950000091
Figure BDA0002685636950000092
Figure BDA0002685636950000093
其中，[I2]代表混合器出口流出的两种流体混合后的I2的浓度，[I3 -]代表混合器出口流出的两种流体混合后的I3 -的浓度，[IO3 -]0代表初始时IO3 -的浓度，[H2BO3 -]0代表初始时H2BO3 -的浓度。Xs等于零代表理想的微观混合状态，等于1代表完全离集的状态，这意味着其值越小，微观混合效果越好。
本实施例中所用Villermaux-Dushman反应体系中各物质浓度为：第一种流体中KI1.16×10-3mol/L，KIO3 2.23×10-3mol/L，H3BO3 1.818×10-2mol/L；第二种流体中NaOH9.09×10-2mol/L。将第一种流体和第二种流体分别同时通入本实施例中的微通道混合器，两液相流量均为0.5ml/min，对微通道混合器出口的[I3 -]进行定量测量后计算出离集因子为0.0025，而相同条件下T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器的离集因子分别为0.023、0.019、0.016、0.017和0.018。本实施例中，本发明的微混合器进出口的总压降为105Pa，而相同条件下T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器的总压降分别为418Pa、402Pa、560Pa、378Pa和435Pa。这表明本实施例的微通道混合器的混合效果要远远好于T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器。
实施例2
本实施例所用的微通道混合器包括三级流体分布通道(图3)，第三级流体分布通道的宽为300μm，深210μm，长7mm。第二级流体分布通道的支流通道与第三级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例1相同，本实施例所测离集因子为0.0021，进出口的总压降为117Pa。
实施例3
本实施例所用的微通道混合器包括四级流体分布通道，第四级流体分布通道的宽为200μm，深150μm，长4mm。第三级流体分布通道的支流通道与第四级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例2相同，所测离集因子为0.0018，进出口的总压降为125Pa。
实施例1、2和3对比说明增加流体分布通道的级数有利于强化混合效果。
实施例4
本实施例所用的微通道混合器和微观混合测量方法与实施例1相同，唯一不同的地方是所有工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口不是尖锥形，出口的宽与工艺流体通道相同，所测离集因子为0.0062，进出口的总压降为103Pa。
实施例5
本实施例所用的微通道混合器和微观混合测量方法与实施例1相同，唯一不同的地方是流体对撞混合腔的宽为800μm，深300μm，长60mm，所测离集因子为0.0041，进出口的总压降为101Pa。
实施例6
本实施例所用的微通道混合器和微观混合测量方法与实施例1相同，唯一不同的地方是流体强化混合通道的宽为800μm，深300μm，长100mm，所测离集因子为0.0052，进出口的总压降为101Pa。
实施例7～9
实施例7～9采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了入口通道与第一级流体分布通道的夹角α的大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中α的大小与其相应的离集因子及总压降列于表1中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表1.α的大小对离集因子和总压降的影响
Figure BDA0002685636950000101
结论：通过实施例1以及实施例7～9的比较可知，入口通道与第一级流体分布通道的夹角α越大，离集因子越小，因此微观混合效果越好。
实施例10～12
实施例10～12采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了第一级流体分布通道的支流通道与第二级流体分布通道的夹角β的大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中β的大小与其相应的离集因子及总压降列于表2中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表2.β的大小对离集因子和总压降的影响
Figure BDA0002685636950000111
结论：通过实施例1以及实施例10～12的比较可知，第一级流体分布通道的支流通道与第二级流体分布通道的夹角β越大，离集因子越小，因此微观混合效果越好。
实施例13～15
实施例13～15采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了两个工艺流体通道与所共同连接的第二级流体分布通道的支流通道之间形成的夹角γ的大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中γ的大小与其相应的离集因子及总压降列于表3中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表3.γ的大小对离集因子和总压降的影响
Figure BDA0002685636950000112
结论：通过实施例1以及实施例13～15的比较可知，两个工艺流体通道与所共同连接的第二级流体分布通道的支流通道之间形成的夹角γ越小，离集因子越小，因此微观混合效果越好。
实施例16～19
实施例16～19采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内两相邻折流挡板的间距大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中具体改变的参数与其相应的离集因子及总压降列于表4中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表4.相邻折流挡板的间距大小对离集因子和总压降的影响
Figure BDA0002685636950000121
结论：通过实施例1以及实施例16～19的比较可知，流体对撞混合腔内折流挡板间距越小，微观混合效果越好；流体强化混合通道内折流挡板间距越小，微观混合效果越好。
实施例20～23
实施例20～23采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了流体对撞混合腔内折流挡板与壁面夹角θ的大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中θ的大小与其相应的离集因子及总压降列于表5中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表5.θ的大小对离集因子及总压降的影响
Figure BDA0002685636950000122
结论：通过实施例1以及实施例20～23的比较可知，流体对撞混合腔内折流挡板与壁面夹角θ接近90°时的微观混合效果最好。
实施例24～27
实施例24～27采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了流体强化混合通道折流挡板与壁面夹角
Figure BDA0002685636950000123
的大小对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中
Figure BDA0002685636950000124
的大小与其相应的离集因子及总压降列于表6中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表6.
Figure BDA0002685636950000132
的大小对离集因子及总压降的影响
Figure BDA0002685636950000131
结论：通过实施例1以及实施例24～27的比较可知，流体强化混合通道内折流挡板与壁面夹角
Figure BDA0002685636950000133
接近90°时的微观混合效果最好。
实施例28～38
实施例28～38采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内折流挡板的有无及折流挡板的宽度对微通道混合器混合效果的影响，各实施例中具体改变的参数与其相应的离集因子及总压降列于表7中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表7.折流挡板宽度对离集因子及总压降的影响
流体对撞混合腔内 流体强化混合通道内 离集因子 总压降
实施例28 无折流挡板 无折流挡板 0.006 95Pa
实施例29 折流挡板宽100μm 无折流挡板 0.0052 97Pa
实施例30 折流挡板宽300μm 无折流挡板 0.0047 99Pa
实施例31 折流挡板宽370μm 无折流挡板 0.0041 103Pa
实施例32 无折流挡板 折流挡板宽100μm 0.0057 97Pa
实施例33 无折流挡板 折流挡板宽300μm 0.0051 99Pa
实施例34 无折流挡板 折流挡板宽370μm 0.0048 103Pa
实施例35 折流挡板宽100μm 折流挡板宽100μm 0.0027 107Pa
实施例36 折流挡板宽300μm 折流挡板宽300μm 0.0021 109Pa
实施例37 折流挡板宽370μm 折流挡板宽370μm 0.0020 112Pa
实施例38 折流挡板宽400μm 折流挡板宽400μm 0.0019 117Pa
结论：通过实施例28～38的比较可知，流体对撞混合腔和流体强化混合通道内的折流挡板的存在可以强化微观混合效果，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装有折流挡板时，微观混合效果更好；折流挡板越宽，微观混合效果越好。
实施例39～49
实施例39～49采用的是实施例1中的微通道混合器和测量表征方法，不同的是，这些实施例所用微通道混合器内没有安装折流挡板，而是分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内内构件的有无、内构件的类型(图6、7和8)及其宽度对混合效果的影响(所有内构件的高度等于所在的流体对撞混合腔或流体强化混合通道的深度，所有内构件的长度为250μm，相邻两个内构件之间的间距500μm)，各实施例中具体改变的参数与其相应的离集因子及总压降结果列于表8中(其它所有参数都与实施例1相同)。
表8.内构件对离集因子及总压降的影响
Figure BDA0002685636950000141
结论：通过实施例39～49的比较可知，流体对撞混合腔或流体强化混合通道内内构件的存在可以有效强化微观混合效果，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装内构件时，微观混合效果更好；内构件越宽，微观混合效果越好。
实施例50
本实施例所用微通道混合器与实施例1的相同，本实施例采用水-丁二酸-1-丁醇体系测量了该微通道混合器的液液体积传质系数，所用水-丁二酸-1-丁醇体系中各物质浓度为：第一种流体为饱和了1-丁醇的去离子水，其中初始时不含丁二酸，第二种流体为饱和了水的1-丁醇，其中丁二酸的浓度为1mol/L，将两种流体分别同时通入微通道混合器，两液相流量均为0.6ml/min，使用液相色谱对微通道混合器出口水相中的丁二酸进行测量，进而计算出液液体积传质系数为15.1s-1，而相同条件下T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器的液液体积传质系数分别为7.2、7.1、8.6、7.6和7.8s-1。这表明本发明的微通道混合器的液液传质效果要远远好于T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器。
实施例51
本实施例所用的微通道混合器包括三级流体分布通道(图3)，第三级流体分布通道的宽为300μm，深210μm，长7mm。第二级流体分布通道的支流通道与第三级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例50相同，本实施例所测液液体积传质系数为15.5s-1。
实施例52
本实施例所用的微通道混合器包括四级流体分布通道，第四级流体分布通道的宽为200μm，深150μm，长4mm。第三级流体分布通道的支流通道与第四级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例51相同，所测液液体积传质系数为15.8s-1。
实施例50、51和52对比说明增加流体分布通道的级数有利于强化液液传质过程。
实施例53
本实施例所用的微通道混合器和微观混合测量方法与实施例50相同，唯一不同的地方是所有工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口不是尖锥形，出口的宽与工艺流体通道相同，所测液液体积传质系数为14.4s-1。
实施例54～56
实施例54～56采用的是实施例50中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了入口通道与第一级流体分布通道的夹角α的大小对微通道混合器液液传质过程的影响，各实施例中α的大小与其相应的液液体积传质系数列于表9中(其它所有参数都与实施例50相同)。
表9.α的大小对液液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000151
结论：通过实施例50以及实施例54～56的比较可知，入口通道与第一级流体分布通道的夹角α越大，液液体积传质系数越大，因此两相混合效果越好。
实施例57～59
实施例57～59采用的是实施例50中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了第一级流体分布通道的支流通道与第二级流体分布通道的夹角β的大小对微通道混合器液液传质过程的影响，各实施例中β的大小与其相应的液液体积传质系数列于表10中(其它所有参数都与实施例50相同)。
表10.β的大小对液液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000161
结论：通过实施例50以及实施例57～59的比较可知，第一级流体分布通道的支流通道与第二级流体分布通道的夹角β越大，液液体积传质系数越大，因此两相混合效果越好。
实施例60～62
实施例60～62采用的是实施例50中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了两个工艺流体通道与所共同连接的第二级流体分布通道的支流通道之间形成的夹角γ的大小对微通道混合器液液传质过程的影响，各实施例中γ的大小与其相应的液液体积传质系数列于表11中(其它所有参数都与实施例50相同)。
表11.γ的大小对液液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000162
结论：通过实施例50以及实施例60～62的比较可知，两个工艺流体通道与所共同连接的第二级流体分布通道的支流通道之间形成的夹角γ越小，液液体积传质系数越大，因此两相混合效果越好。
实施例63～73
实施例63～73采用的是实施例50中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内折流挡板的有无及其宽度对微通道混合器液液传质过程的影响，各实施例中具体改变的参数及其相应的液液体积传质系数列于表12中(其它所有参数都与实施例50相同)。
表12.折流挡板对液液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000171
结论：通过实施例63～73的比较可知，流体对撞混合腔和流体强化混合通道内的折流挡板的存在可以强化液液体积传质系数，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装有折流时，液液体积传质效果更好；折流挡板越宽，液液体积传质系数越大，液液传质效果越好。
实施例74～84
实施例74～84采用的是实施例50中的微通道混合器和测量表征方法，不同的是，这些实施例所用微通道混合器内没有安装折流挡板，而是分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内内构件的有无、内构件的类型及其宽度对微通道混合器液液传质过程的影响(所有内构件的高度等于所在的流体对撞混合腔或流体强化混合通道的深度，所有内构件的长度为250μm，相邻两个内构件之间的间距为500μm)，各实施例中具体改变的参数与其相应的液液体积传质系数结果列于表13中(其它所有参数都与实施例50相同)。
表13.内构件对液液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000181
结论：通过实施例74～84的比较可知，流体对撞混合腔或流体强化混合通道内内构件的存在可以强化液液传质效果，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装内构件时，液液传质效果更好；内构件越宽，液液体积传质系数越大，液液传质效果越好。
实施例85
本实施例所用的微通道混合器与实施例1的相同，本实施例采用二氧化碳-水体系测量了微通道混合器的气液体积传质系数，将二氧化碳和去离子水两种流体分别同时通入微通道混合器，两液相流量均为0.6ml/min，测量微通道混合器出口水相中二氧化碳浓度后计算出气液体积传质系数为9.6s-1，而相同条件下T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器的气液体积传质系数分别为5.8、5.6、7.1、6.2和6.5。这表明本发明的微通道混合器的气液传质效果要远远好于T型混合器、Y型混合器、静态混合器、同轴流动微混合器和流动聚焦微混合器。
实施例86
本实施例所用的微通道混合器包括三级流体分布通道，第三级流体分布通道的宽为300μm，深210μm，长7mm。第二级流体分布通道的支流通道与第三级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例85相同，本实施例所测气液体积传质系数为9.9s-1。
实施例87
本实施例所用的微通道混合器包括四级流体分布通道，第四级流体分布通道的宽为200μm，深150μm，长4mm。第三级流体分布通道的支流通道与第四级流体分布通道的夹角β为90°。其它所有微通道混合器结构参数和微观混合测量方法与实施例86相同，所测气-液体积传质系数为10.6s-1。
实施例85、86和87对比说明增加流体分布通道的级数有利于强化气液传质过程。
实施例88
本实施例所用的微通道混合器和微观混合测量方法与实施例85相同，唯一不同的地方是所有工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口不是尖锥形，出口的宽与工艺流体通道相同，所测气液体积传质系数为8.7s-1。
实施例89～99
实施例89～99采用的是实施例85中的微通道混合器和测量表征方法，不同的地方是，这些实施例考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内折流挡板的有无及其宽度对微通道混合器气液传质系数的影响，各实施例中具体改变的参数及其相应的气液体积传质系数列于表14中(其它所有参数都与实施例85相同)。
表14.折流挡板对气液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000191
结论：通过实施例89～99的比较可知，流体对撞混合腔和流体强化混合通道内的折流挡板的存在可以强化气液体积传质系数，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装有折流时，气液体积传质效果更好；折流挡板越宽，气液体积传质系数越大，气液传质效果越好。
实施例100～110
实施例100～110采用的是实施例85中的微通道混合器和测量表征方法，不同的是，这些实施例所用微通道混合器内没有安装折流挡板，而是分别考察了流体对撞混合腔和流体强化混合通道内内构件的有无、内构件的类型及其宽度对微通道混合器气液传质过程的影响(所有内构件的高度等于所在的流体对撞混合腔或流体强化混合通道的深度，所有内构件的长度为250μm，相邻两个内构件之间的间距为500μm)，各实施例中具体改变的参数与其相应的气液体积传质系数结果列于表13中(其它所有参数都与实施例85相同)。
表15.内构件对气液体积传质系数的影响
Figure BDA0002685636950000201
结论：通过实施例100～110的比较可知，流体对撞混合腔或流体强化混合通道内内构件的存在可以强化气液传质效果，尤其是流体对撞混合腔和流体强化混合通道内都安装内构件时，气液传质效果更好；内构件越宽，气液体积传质系数越大，气液传质效果越好。
实施例111
采用实施例1中的微通道混合器进行乙苯硝化反应，将98wt.％硫酸与95wt.％硝酸的混酸(其中硝酸和硫酸的体积比为4：3)与乙苯以0.1ml/min的等流量泵入微通道混合器中进行混合反应，控制微通道混合器的温度为30℃，反应混合液在微通道混合器中停留5分钟后，收集流出的反应混合液，经分析，原料转化率100％，4-乙基硝基苯的收率为51.9％，2-乙基硝基苯的收率为45.2％。
相同的乙苯混酸硝化反应在间歇釜式的圆底烧瓶内进行，反应温度为30℃，定时取样分析，反应3小时，乙苯的转化率约50％，反应6小时，乙苯的转化率约77％，反应9小时，乙苯的转化率约97％。
由此可见本发明的微通道混合器可以极大地缩短乙苯混酸硝化的反应时间，此外因为其在线持液量小使得乙苯混酸硝化反应过程具有本质安全的特性。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (9)

1.一种多层次结构微通道混合器，其特征在于，包括一块基板和一块封板，所述基板上设有两个进样储液室、两个入口通道、两组流体分布通道网、两组工艺流体通道、一个流体对撞混合腔、一个流体强化混合通道和一个出口缓冲室；所述封板上设有两个分别与进样储液室连通的通孔作为待混合流体物料的进口和一个与出口缓冲室连通的通孔作为混合后流体物料的出口；每个进样储液室的一端通过待混合流体物料的进口与外部进料管连通，另一端与入口通道连通；所述每个入口通道都通过一组流体分布通道网与一组工艺流体通道连通；
所述每组流体分布通道网都由N级(N为大于0，且小于等于10的任何正整数)水力直径不同的流体分布通道构成，其中，第一级流体分布通道与入口通道直接连通，第N级流体分布通道或分成2N股支流通道与2N个下一级(即N+1级)流体分布通道连通，或分成2(N+1)股支流与2(N+1)个工艺流体通道连通；所述每个流体分布通道都分成两个支流通道；所述任意一个流体分布通道的支流通道或与下一级流体分布通道连通，或与工艺流体通道连通；所述最后一级流体分布通道的每个支流通道进一步分成两路分支与两个工艺流体通道连通；
所述工艺流体通道一端与最后一级流体分布通道的支流通道连通，另一端位于流体对撞混合腔内；分别与两个入口通道连通的两组工艺流体通道左右对称布置在流体对撞混合腔的两侧；工艺流体通道在流体对撞混合腔的出口成尖锥形；流体对撞混合腔与流体强化混合通道直接连通；流体对撞混合腔和流体强化混合通道内安装有内构件或在壁面安装有折流挡板；流体强化混合通道与出口缓冲室连通；出口缓冲室通过混合后流体物料的出口与外部管线连通；
所述入口通道与第一级流体分布通道的夹角为α；所述α的范围是70°≤α≤130°；
所述任意一个流体分布通道的支流通道与下一级流体分布通道的夹角为β；所述β的范围是70°≤β≤130°；
所述两个工艺流体通道与所共同连接的最后一级流体分布通道的支流通道之间形成夹角γ；所述γ的范围是95°≤γ≤150°；
所述流体分布通道的横截面是矩形，第一级流体分布通道的宽度为0.1～30mm，深度为0.1～15mm，长度为1～200mm；第N级流体分布通道的宽度、深度和长度分别为上一级(即N-1级，N>>2的正整数)流体分布通道的宽度的40％～90％，深度的40％～90％，长度的20％～80％；
所述流体对撞混合腔的折流挡板间隔安装在两侧壁面，且与壁面形成夹角θ；
所述流体对撞混合腔的折流挡板与流体对撞混合腔壁面的夹角θ的范围是20°≤θ≤160°；
所述流体对撞混合腔内所有的折流挡板或内构件的安装位置与工艺流体通道的中心轴线的位置叉开，不在同一水平面，且最好使得所有紧邻工艺流体通道的折流挡板或内构件到最近的工艺流体通道的中心轴线的距离为50～800μm；
所述流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～5mm；
所述流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件紧密布置或疏松布置，紧密布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～500μm；在疏松布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔500μm～5mm；
所述流体强化混合通道的折流挡板间隔安装在流体强化混合通道的两侧壁面，且与壁面形成夹角
Figure FDA0002685636940000022
所述流体强化混合通道内的折流挡板与流体强化混合通道壁面的夹角
Figure FDA0002685636940000023
范围是
Figure FDA0002685636940000021
所述流体强化混合通道内的折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～5mm；
所述流体强化混合通道内的折流挡板或内构件紧密布置或疏松布置，紧密布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔50μm～500μm；在疏松布置时，折流挡板或内构件的安装间距是相邻间隔500μm～5mm；
所述工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口成尖锥形，尖锥出口的宽度为1～500μm；
所述工艺流体通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧；
所述左右对称布置于流体对撞混合腔两侧的一对工艺流体通道在流体对撞混合腔内的尖锥出口之间的间距为10～500μm。
2.如权利要求1所述的微通道混合器，其特征在于，所述入口通道的横截面是矩形；所述入口通道的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～500mm；所述两个入口通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧。
3.如权利要求1所述的微通道混合器，其特征在于，所述工艺流体通道的横截面是矩形；所述工艺流体通道的宽度为50～1000μm，深度为50～1000μm，长度为1～200mm；所述工艺流体通道在流体对撞混合腔内的出口成尖锥形，尖锥出口的宽度为1～500μm；所述工艺流体通道左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧；所述任意一对左右对称布置于流体对撞混合腔两侧的工艺流体通道在流体对撞混合腔内的尖锥出口之间的间距为10～500μm。
4.如权利要求1所述的微通道混合器，其特征在于，所述流体对撞混合腔的横截面是矩形；所述流体对撞混合腔的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～500mm。
5.如权利要求1所述的微通道混合器，其特征在于，所述流体强化混合通道的横截面是矩形；所述流体强化混合通道的宽度为50μm～10mm，深度为50μm～10mm，长度为1～1000mm。
6.如权利要求4所述的微通道混合器，其特征在于，所述流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的高度等于流体对撞混合腔的深度；所述流体对撞混合腔内的折流挡板的宽度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～0.9倍；所述流体对撞混合腔内的折流挡板的长度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～2.0倍；所述流体对撞混合腔内的内构件的宽度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～0.9倍；所述流体对撞混合腔内的内构件的长度是流体对撞混合腔的宽度的0.1～2.0倍。
7.如权利要求5所述的微通道混合器，其特征在于，所述流体强化混合通道内的折流挡板或内构件的高度等于流体强化混合通道的深度；所述流体强化混合通道内的折流挡板的宽度是流体强化混合通道的宽度的0.1～0.9倍；所述流体强化混合通道内的折流挡板的长度是流体强化混合通道的宽度的0.1～2.0倍；所述流体强化混合通道内的内构件的宽度是流体强化混合通道的宽度的0.1～0.9倍；所述流体强化混合通道内的内构件的长度是流体强化混合通道的宽度的0.1～2.0倍。
8.如权利要求1所述的微通道混合器，其特征在于，所述内构件是星形内构件、X形内构件或Y形内构件。
9.如权利要求1所述的微通道混合器的流体混合方法，其特征在于，用泵将两种待混合的流体分别输送至两个进样储液室，两种流体各自经进样储液室进入入口通道，经多级流体分布通道分布后进入工艺流体通道，流出工艺流体通道后形成两股相向撞击流在流体对撞混合腔内相向撞击混合，紧接着混合流体在流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的作用下产生涡流或二次流，然后混合流体进入流体强化混合通道，流体强化混合通道内折流挡板或内构件的存在促使流经的流体混合物形成涡流或二次流，进一步加剧流体扰动，最终混合后的流体混合物经出口缓冲室流出混合器。
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Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113083107A (zh) * 2021-04-15 2021-07-09 东北电力大学 基于随机旋转颗粒的增强型无源微混合器及其制作方法
CN113145037A (zh) * 2021-04-08 2021-07-23 复旦大学 一种微流体分布器及多通道并行放大的流体均匀分布方法
CN113295645A (zh) * 2021-05-20 2021-08-24 天津工业大学 基于四叶草型的太赫兹混合网络检测芯片
CN113750926A (zh) * 2021-09-18 2021-12-07 浙江工业大学 一种适用于强放热体系的反应装置
CN114259960A (zh) * 2021-12-22 2022-04-01 西安交通大学 一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统
CN114560865A (zh) * 2022-02-25 2022-05-31 复旦大学 一种(3aS,6aR)-内酯的连续流合成方法
CN114891019A (zh) * 2022-02-25 2022-08-12 复旦大学 一种乙烯基硫醚化合物的连续流制备方法
WO2023273645A1 (zh) * 2021-07-02 2023-01-05 中国石油化工股份有限公司 微反应器

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114471399A (zh) * 2021-12-30 2022-05-13 南京理工大学 一种基于用于强化液液混合的撞击喷射结构的微反应器

Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001088525A1 (en) * 2000-05-12 2001-11-22 University Of Cincinnati Structurally programmable microfluidic systems
WO2003098218A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-27 Biomicro Systems, Inc. Multi-channel microfluidic system design with balanced fluid flow distribution
WO2004012852A1 (en) * 2002-08-02 2004-02-12 Imperial College Innovations Limited Powder mixing microchip, system and method
CN1537029A (zh) * 2001-05-07 2004-10-13 环球油品公司 用于将至少两种流体混合和反应的设备
US20040238355A1 (en) * 2003-05-01 2004-12-02 Genichi Kimizuka Sample handling unit applicable to microchip, and microfluidic device having microchips
US20060283980A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-21 Wang Muh R Atomizer system integrated with micro-mixing mechanism
CN1915480A (zh) * 2004-08-18 2007-02-21 拜尔材料科学股份公司 搅拌装置和进行气－液反应的方法
JP3888632B2 (ja) * 2003-03-26 2007-03-07 靖浩 堀池 マイクロミキサ、試料分析キット及びその製造方法
CN1993174A (zh) * 2003-12-18 2007-07-04 维罗西股份有限公司 微通道中的原位混合
CN101084061A (zh) * 2004-10-01 2007-12-05 万罗赛斯公司 使用微通道工艺技术的多相混合方法
US20090311143A1 (en) * 2006-10-19 2009-12-17 Chi-Yuan Lee Micro reactor having micro flow-guiding blocks
US7718420B2 (en) * 2006-10-10 2010-05-18 Postech Academy-Industry Foundation Microfluidic biochip for blood typing based on agglutination reaction
CN101733056A (zh) * 2008-11-07 2010-06-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种撞击流微通道反应器及应用
CN103748791A (zh) * 2011-05-27 2014-04-23 晶阳股份有限公司 通过外延沉积的硅晶片
CN105664773A (zh) * 2016-01-22 2016-06-15 苏州汶颢芯片科技有限公司 平面被动式微混合器
WO2016141033A1 (en) * 2015-03-02 2016-09-09 Board Of Regents, The University Of Texas System Systems and methods for thermally actuated flow control
CN207951405U (zh) * 2017-12-29 2018-10-12 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种流体反应装置
CN208389988U (zh) * 2018-05-16 2019-01-18 向铁军 一种实现加强混合作用的微通道结构
CN210906104U (zh) * 2019-05-16 2020-07-03 青岛三易安化工设备有限公司 一种微反应通道和微反应器
CN211098962U (zh) * 2019-11-14 2020-07-28 博勒流体科技(杭州)有限公司 一种分流对冲微反应通道装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10333921B4 (de) * 2003-07-25 2005-10-20 Wella Ag Extraktionsverfahren unter Verwendung eines statischen Mikromischers
KR102097814B1 (ko) * 2016-10-18 2020-05-29 주식회사 엘지화학 고압 균질화 장치 및 이를 이용한 그래핀의 제조방법
WO2019246615A1 (en) * 2018-06-22 2019-12-26 Delphi Scientific, Llc Apparatus, systems, and methods for continuous manufacturing of nanomaterials and high purity chemicals

Patent Citations (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2001088525A1 (en) * 2000-05-12 2001-11-22 University Of Cincinnati Structurally programmable microfluidic systems
CN1537029A (zh) * 2001-05-07 2004-10-13 环球油品公司 用于将至少两种流体混合和反应的设备
WO2003098218A1 (en) * 2002-05-10 2003-11-27 Biomicro Systems, Inc. Multi-channel microfluidic system design with balanced fluid flow distribution
WO2004012852A1 (en) * 2002-08-02 2004-02-12 Imperial College Innovations Limited Powder mixing microchip, system and method
JP3888632B2 (ja) * 2003-03-26 2007-03-07 靖浩 堀池 マイクロミキサ、試料分析キット及びその製造方法
US20040238355A1 (en) * 2003-05-01 2004-12-02 Genichi Kimizuka Sample handling unit applicable to microchip, and microfluidic device having microchips
CN1993174A (zh) * 2003-12-18 2007-07-04 维罗西股份有限公司 微通道中的原位混合
CN1915480A (zh) * 2004-08-18 2007-02-21 拜尔材料科学股份公司 搅拌装置和进行气－液反应的方法
CN101084061A (zh) * 2004-10-01 2007-12-05 万罗赛斯公司 使用微通道工艺技术的多相混合方法
US20060283980A1 (en) * 2005-06-20 2006-12-21 Wang Muh R Atomizer system integrated with micro-mixing mechanism
US7718420B2 (en) * 2006-10-10 2010-05-18 Postech Academy-Industry Foundation Microfluidic biochip for blood typing based on agglutination reaction
US20090311143A1 (en) * 2006-10-19 2009-12-17 Chi-Yuan Lee Micro reactor having micro flow-guiding blocks
CN101733056A (zh) * 2008-11-07 2010-06-16 中国科学院大连化学物理研究所 一种撞击流微通道反应器及应用
CN103748791A (zh) * 2011-05-27 2014-04-23 晶阳股份有限公司 通过外延沉积的硅晶片
WO2016141033A1 (en) * 2015-03-02 2016-09-09 Board Of Regents, The University Of Texas System Systems and methods for thermally actuated flow control
CN105664773A (zh) * 2016-01-22 2016-06-15 苏州汶颢芯片科技有限公司 平面被动式微混合器
CN207951405U (zh) * 2017-12-29 2018-10-12 惠州亿纬锂能股份有限公司 一种流体反应装置
CN208389988U (zh) * 2018-05-16 2019-01-18 向铁军 一种实现加强混合作用的微通道结构
CN210906104U (zh) * 2019-05-16 2020-07-03 青岛三易安化工设备有限公司 一种微反应通道和微反应器
CN211098962U (zh) * 2019-11-14 2020-07-28 博勒流体科技(杭州)有限公司 一种分流对冲微反应通道装置

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CHAO QIN,JING WU,JING WANG: "Synergy between flow and light fields and its applications to the design of mixers in microalgal photobioreactors", 《BIOTECHNOLOGY FOR BIOFUELS》 *
CHENGMIN CHEN，YINGJIE ZHAO: "Passive Mixing inside Microdroplets", 《MICROMACHINES》 *
JEFFREY D WINTERTON，DAVID R. MYERS: "A novel continuous microfluidic reactor design for the controlled production of high-quality semiconductor nanocrystals", 《JOURNAL OF NANOPARTICLE RESEARCH》 *
JUNCHAO WANG: "Finding the optimal design of a passive microfluidic mixer", 《LAB ON A CHIP》 *
杜林，周嘉: "基于微流控原理的液体粘度测量方法研究", 《仪器仪表学报》 *
程荡，陈芬儿: "连续流微反应技术在药物合成中的应用研究进展", 《化工进展》 *

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113145037B (zh) * 2021-04-08 2022-11-18 复旦大学 一种微流体分布器及多通道并行放大的流体均匀分布方法
CN113145037A (zh) * 2021-04-08 2021-07-23 复旦大学 一种微流体分布器及多通道并行放大的流体均匀分布方法
CN113083107A (zh) * 2021-04-15 2021-07-09 东北电力大学 基于随机旋转颗粒的增强型无源微混合器及其制作方法
CN113295645A (zh) * 2021-05-20 2021-08-24 天津工业大学 基于四叶草型的太赫兹混合网络检测芯片
WO2023273645A1 (zh) * 2021-07-02 2023-01-05 中国石油化工股份有限公司 微反应器
CN113750926B (zh) * 2021-09-18 2023-01-10 浙江工业大学 一种适用于强放热体系的反应装置
CN113750926A (zh) * 2021-09-18 2021-12-07 浙江工业大学 一种适用于强放热体系的反应装置
CN114259960A (zh) * 2021-12-22 2022-04-01 西安交通大学 一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统
CN114259960B (zh) * 2021-12-22 2023-02-24 西安交通大学 一种微反应通道结构及基于其的微反应器和纳米材料合成系统
CN114891019A (zh) * 2022-02-25 2022-08-12 复旦大学 一种乙烯基硫醚化合物的连续流制备方法
CN114560865A (zh) * 2022-02-25 2022-05-31 复旦大学 一种(3aS,6aR)-内酯的连续流合成方法
CN114560865B (zh) * 2022-02-25 2024-02-02 复旦大学 一种(3aS,6aR)-内酯的连续流合成方法
CN114891019B (zh) * 2022-02-25 2024-06-04 复旦大学 一种乙烯基硫醚化合物的连续流制备方法

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