CN113181853A - 一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置和混合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，包括物料进口段(1)、物料出口段(2)和混合段(3)，所述物料进口段(1)通过混合段(3)与物料出口段(2)连接；所述物料进口段(1)设置有a物料进口(11)、和b物料进口(12)；所述物料出口段(2)设置有物料出口(21)；所述混合段(3)包括多个混合单元，且多个所述混合单元中至少有一个X形交叉混合单元(31)。本发明微通道反应混合装置，通过将混合段设计成X形交叉混合单元，独特的管道结构可以实现物料快速、均匀混合，强化了传质传热。进一步的，通过将X形交叉混合单元和立体柱形混合单元结合，打破原有混合器周期混合单元的限制，明显提升混合指数。

Description

一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置和混合方法
技术领域
本发属于微流体控制领域，涉及到具有交叉形混合结构微通道反应混合装置的设计和优化，尤其涉及一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置和混合方法。
背景技术
近年来，微通道反应混合装置具有强化传质，传热，过程高度可控且连续化等优点，受到国内外广泛的青睐。微反应是指反应器内流体在微米或亚微米尺度的管道内，通过独特设计的微通道来增强传质和传热。与传统釜式反应器相比，微混合器内其独特内部混合结构可以实现快速混合，具有换热和传质效率高、高度集成化、严格控制反应时间、高选择性等优势，从而避免了出现局部混合不均匀现象。微混合结构可以使原料在分子水平上快速混合，化学反应载量小，因此安全性得到提高。
但是，由于微反应器反应通道的微型化设计，物料流量增大时物料在反应通道中停留时间较短，不利于反应通道内物料之间的充分混合。现有技术中，为了克服该问题，采用多个微反应器串联，以延长反应通道长度，从而提高物料混合效率、反应收率。这种方式，造成了大量的微反应器被占用，增加设备投资成本和反应时间，同时提高了运行及控制难度。
为了解决以上问题，提出本发明。
发明内容
数值模拟是评价初步设计的混合器混合效果的最有效方法之一。计算流体力学(CFD)可以得到混合器内的流动状态和混合效果。根据模拟结果，可以进一步优化混合器的结构。本文设计并优化了微混合结构，经过数值模拟验证了两流体的混合指数得到了提升。
本发明目的在于提供一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置,独特的管道结构可以实现物料快速、均匀混合，强化了传质传热。具体的，本发明提供了一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其主体结构包括两个进口、一个出口以及微混合单元。通过数值模拟验证其混合性能，进口一为纯水、进口二为2mol/L的氯化钠溶液，经过反应器混合后由出口排出。根据数值模拟结果，进一步优化了混合结构。当两流体经过混合结构混合，根据数值模拟结果优化后的混合结构混合指数得到了明显的提升。同时优化后的反应结构得到进一步的简化，降低了加工的难度。
为解决上述技术问题，本发明的一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置的具体技术方案如下：
一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其包括物料进口段1、物料出口段2和混合段3，所述物料进口段1通过混合段3与物料出口段2连接；且混合段3与物料出口段2连接处为混合段出口33。
所述物料进口段1设置有a物料进口11、和b物料进口12；
所述混合段3包括多个混合单元，且多个所述混合单元中至少有一个X形交叉混合单元31，所述X形交叉混合单元为两个尺寸相同的立体柱条在立体柱条中心部交叉组成形状类似X的立体结构。
优选地，所述混合段3由多个X形交叉混合单元串联组成。
所述混合段3由多个X形交叉混合单元31和多个立体柱形混合单元32无序连接而成。
优选地，所述混合段3由多个所述X形交叉混合单元31和多个立体柱形混合单元32依次交错相连组成。也就是说，为“……X形交叉混合单元31连接立体柱形混合单元32连接X形交叉混合单元31……”这种形式。
优选地，所述混合段3的长度为0.5-1cm，所述混合段3包括8-16个混合单元。此处混合单元就是包括上述的X形交叉混合单元31和立体柱形混合单元32。
优选地，所述X形交叉混合单元的长为0.04-0.1cm，宽为0.04-0.1cm、高为0.04-0.1cm。
优选地，所述a物料进口11、b物料进口12的形状为长方形，该长方形长和宽为0.04-0.1cm。
优选地，所述物料段1具有圆弧形状结构，该圆弧半径为0.3-0.8cm，角度为120-150°。
优选地，所述物料出口21的形状为长方形，该长方形长和宽为0.04-0.1cm。
本发明第二方面提供一种所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置的混合方法，所述物料进口段1的a物料进口11通入第一物料，b和物料进口12通入第二物料，两物料经所述混合段3混合反应后经所述物料出口段2的物料出口21排出。
本发明相对于现有技术具有以下优点：
1、本发明的一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，通过将混合段设计成一种X形交叉混合单元，独特的管道结构可以实现物料快速、均匀混合，强化了传质传热，结构简单，易操作。模拟两流体在流量1-50mL/min的混合，10个X形交叉混合段出口两流体间的混合指数为0.85-0.90。
2、本发明的一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，进一步的，通过将X形交叉混合单元和立体柱形混合单元结合在一起，打破原有的单一混合单元周期混合的限制，优化后，经过10个的混合单元两流体间的混合指数为0.92-0.99。
3、本发明的一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，微通道反应混合装置独特的管道结构工业化只需要将多个相同的管道并联，各管道相互独立，无放大效应，提高了产品的生产效率，工艺过程高度可控。
附图说明
图1为本发明的一种X形交叉混合单元结构示意图；
图2为本发明的一种X形交叉混合单元和立体柱形混合单元组合结构示意图；
图3为本发明的立体柱形混合单元组合结构示意图；
图4为本发明实施例1的微通道反应混合装置的结构示意图；
图5为本发明实施例2的微通道反应混合装置的结构示意图；
附图标记说明：1-物料进口段、11-a物料进口，12-b物料进口，2-物料出口段，21-物料出口，3-混合段，31-X形交叉混合单元，32-立体柱形混合单元，33-混合段出口。
具体实施方式
为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置做进一步详细的描述。
实施过程中使用如下的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置结构建模，数值模拟设置两进口的流量为1-50mL/min，设置两流体间的传质扩散系数为1*10-9m2/s，模拟两流体经过混合结构混合传质。
获得混合段3的混合段出口33节点上的浓度，计算两流体间的混合指数。
实施例1
如图4，一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其包括物料进口段1、物料出口段2和混合段3，所述物料进口段1通过混合段3与物料出口段2连接；
所述物料进口段1设置有a物料进口11、和b物料进口12；
所述混合段3包括10个混合单元，且10个所述混合单元均为X形交叉混合单元31。所述混合段3由10个X形交叉混合单元串联组成。也就是说，为“……X形交叉混合单元31连接X形交叉混合单元31连接X形交叉混合单元31……”这种形式。
具体的，混合段长度为0.6cm。
a物料进口11、b物料进口12的形状为长方形，物料进口长为0.1cm，宽为0.05cm，物料进口段圆弧半径为0.35cm，角度为150°。所述物料出口21的形状为长方形，物料出口21的长为0.1cm，宽度为0.05cm。
单个X形交叉混合单元的长为0.06cm，宽为0.04cm、高为0.06cm。
对比例1
本对比例的具有混合结构微通道反应混合装置结构建模与实施例1类似，区别仅在于混合段的混合单元不同。
本对比例所述混合段3包括10个混合单元，且10个所述混合单元均为立体柱形混合单元32。所述混合段3由10个立体柱形混合单元32串联组成。也就是说，为“……立体柱形混合单元32连接立体柱形混合单元32连接立体柱形混合单元32……”这种形式。
单个立体柱形混合单元32的长为0.06cm，宽为0.04cm、高为0.06cm。
实施例2
如图5，本实施例的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置结构建模与实施例1类似，区别仅在于混合段的混合单元不同。
本实施例2所述混合段3包括10个混合单元，且10个所述混合单元中有5个X形交叉混合单元31，5个立体柱形混合单元32，两者依次交错相连组成。也就是说，为“……X形交叉混合单元31连接立体柱形混合单元32连接X形交叉混合单元31……”这种形式。
单个立体柱形混合单元32的长为0.06cm，宽为0.04cm、高为0.06cm。
实施例3
针对对比例1、实施例1、实施例2的三个不同结构微通道反应混合装置进行模拟，混合器两个进口的流量为50mL/min，a物料进口11为纯水，b物料进口12为2mol/L氯化钠溶液，经过数值模拟，对比例1、实施例1、实施例2三个不同结构的混合段出口的混合指数分别0.40、0.90和0.99。
实施例4
针对对比例1、实施例1、实施例2的三个不同结构微通道反应混合装置进行模拟，混合器两个进口的流量为30mL/min，a物料进口11为纯水，b物料进口12为2mol/L氯化钠溶液，经过数值模拟，对比例1、实施例1、实施例2三个不同结构的混合段出口的混合指数分别为0.48、0.90和0.98。
实施例5
针对对比例1、实施例1、实施例2的三个不同结构微通道反应混合装置进行模拟，混合器两个进口的流量为10mL/min。a物料进口11为纯水，b物料进口12为2mol/L氯化钠溶液，经过数值模拟，对比例1、实施例1、实施例2三个不同结构的混合段出口的混合指数分别为0.66、0.86和0.95。
实施例6
针对对比例1、实施例1、实施例2的三个不同结构微通道反应混合装置进行模拟，混合器两个进口的流量为3mL/min。a物料进口11为纯水，b物料进口12为2mol/L氯化钠溶液，经过数值模拟，对比例1、实施例1、实施例2三个不同结构的混合段出口的混合指数分别为0.77、0.85和0.92。
由此模拟数据可以看出本发明的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置可以实现物料快速、均匀混合，强化了传质传热，结构简单，易操作。
可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (10)

1.一种具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，包括物料进口段(1)、物料出口段(2)和混合段(3)，所述物料进口段(1)通过混合段(3)与物料出口段(2)连接；
所述物料进口段(1)设置有a物料进口(11)、b和物料进口(12)；
所述物料出口段(2)设置有物料出口(21)；
所述混合段(3)包括多个混合单元，且多个所述混合单元中至少有一个X形交叉混合单元(31)。
2.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述混合段(3)由多个X形交叉混合单元(31)串联组成。
3.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述混合段(3)由多个X形交叉混合单元(31)和多个立体柱形混合单元(32)无序连接而成。
4.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述混合段(3)由多个所述X形交叉混合单元(31)和多个立体柱形混合单元(32)依次交错相连组成。
5.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述混合段(3)的长度为0.5-1cm，所述混合段(3)包括8-16个混合单元。
6.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述X形交叉混合单元(31)的长为0.04-0.1cm，宽为0.04-0.1cm，高为0.04-0.1cm。
7.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述a物料进口(1)、b物料进口(2)的形状为长方形，该长方形长和宽为0.04-0.1cm。
8.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，其特征在于，所述物料段(1)具有圆弧形状的结构，该圆弧半径为0.3-0.8cm，角度为120-150°。
9.根据权利要求1所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置，所述物料出口(21)的形状为长方形，该长方形长和宽为0.04-0.1cm。
10.一种权利要求1-9任一项所述的具有交叉形混合结构微通道反应混合装置的混合方法，其特征在于，所述物料进口段(1)的a物料进口(11)通入第一物料，b和物料进口(12)通入第二物料，两物料经所述混合段(3)混合反应后经所述物料出口段(2)的物料出口(21)排出。
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