CN115845685B - 一种逆流射流环隙微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种逆流射流环隙微混合器，包括：密封环，密封安装在密封环两侧的进液盖板和出液盖板；密封环周壁等间距开设有若干个导流孔，每一导流孔内安装有一分支进液管；中心进液管和分支进液管内分别填充有两种流体；密封环内还设置有中心板，中心板靠近进液盖板的端面中心向内凹陷形成有分流槽，且分流槽内壁周向等间距布置有若干个环隙孔道；环隙孔道延伸至中心板外壁；环隙孔道内还安装有环隙挡板。本发明设置环隙挡板不仅可以将金属管与环隙孔道精准的同轴，而且设计不同结构的环隙挡板可以使得环隙内流体发生扰动，实现流体阻力，混合效率的精准调控，促进混合过程的进行。
Description
技术领域
本发明涉及强化传热传质技术领域，特别是涉及一种逆流射流环隙微混合器。
背景技术
上世纪90年代以来，化学工程技术中的一个重要趋近是将合成装置设计逐渐发展小型化，微型化。微通道反应器通常特征尺度在1mm以下，在微尺度效应下，物料之间由于较小的扩散距离，可以有效缩短混合时间。同时在微通道内部由于其比表面积大，在实验室中可以实现温度、压力的精准控制，依据这些优点相较于常规釜式反应器具有更高效的安全性，并且在合成工艺路线相同的条件下，可以通过准确的反应条件获得更高的转化率和收率高，并且由微尺度效用下的平推流流动模式替代常规反应器的全混流反应器对于化学动力学研究、混合流体力学以及可视化流场分析居于更高效的观察与分析。
由于微通道尺度较小且比表面积较大，微通道中流动主要以表面力与粘性力为主，惯性力作用较小。这也使得流动过程不同于常规反应器搅拌过程中的湍流，而是以层流形态为主，由于停留时间大大缩短，使得实现快速高效混合成为微流控装置中一个重要的难题，常规T形微混合器是将两种物料分别由两个进液进入混合后流入一个混合管道，实验发现其混合效果差。因此，设计不同被动式微通道构型，通道内结构，通道表面亲疏水性及不同主动式的声场，电磁场可以进一步促进常规微通道混合。例如，在通道进料中实现脉动式进样；构建不同类型通道例如蛇型微通道，螺旋型微通道等不同类型通道；在微通道表面加入蜂鸣器实现微振动等都在促进微通道实现高效混合的研究方面具有一定成果。
目前微通道混合器除高效混合问题之外，实现工业化生产也具有一定问题。由于微通道尺寸较小，一般都是在微米级，所以对于工业化生产需要进行并联后放大，除了加工较为精密导致成本过高，进液方式难以保证各个通道物料均匀以及集成通道构型和温控都会限制微通道的工业化发展。所以为了实验工业化生产，研究新型微混合反应器具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种逆流射流环隙微混合器，以解决上述现有技术存在的问题，能够克服传统微混合器混合时间长，且混合效率较低下及无法实现高通量混合等问题；在微尺度下可以实现多种流体的快速混合。应用于高放热，高压反应，可实现对温度，体积流量比，压力等条件的精准调控。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种逆流射流环隙微混合器，包括：密封环，密封安装在所述密封环两侧的进液盖板和出液盖板；所述进液盖板和出液盖板中心分别安装有中心进液管和出液管；所述密封环周壁等间距开设有若干个导流孔，每一所述导流孔内安装有一分支进液管；所述中心进液管和分支进液管内分别填充有两种流体；
所述密封环内还设置有中心板，所述中心板靠近所述进液盖板的端面中心向内凹陷形成有分流槽，且所述分流槽内壁周向等间距布置有若干个环隙孔道；所述环隙孔道延伸至所述中心板外壁；且所述环隙孔道与所述导流孔位置对应，高度相同；所述环隙孔道内还安装有环隙挡板。
所述分支进液管一端还连接有金属管；所述金属管贯穿所述导流孔并伸入所述环隙孔道内；所述金属管外壁与所述环隙孔道之间安装有若干个所述环隙挡板。
所述中心板一端面与所述进液盖板贴合，所述中心板周壁与密封环内壁及所述中心板另一端面与所述出液盖板共同形成有微槽。
所述进液盖板和出液盖板相对面均向内凹陷，且分别形成有分流腔和汇流腔；所述中心进液管内流入的流体在所述分流腔内分别流向各个所述环隙孔道，与所述分支进液管内流入的另一液体在所述环隙孔道碰撞混合；所述流体混合后通过所述微槽进入所述汇流腔。
所述环隙挡板为圆孔型板、四角型板和两角型板；所述环隙挡板套设在所述金属管外壁。
由于所述金属管和环隙孔道管径不同，使两种所述流体存在速度差；且两所述流体的流量比为1-5。
所述中心板面积为0.001～0.785mm2；所述分流腔及分流槽面积均为0.0005～0.78mm2；所述汇流腔面积为0.0005～0.78mm2；所述金属管的管径为0.3-9.9mm；所述环隙孔道的内径为0.4-10mm。
所述的中心进液管内径为3-30mm，体积流量为0.01-200L/min，所述分支进液管流体流速为0.01-50m/s，体积流量为0.1-10ml/min，内径为1.5-10mm。
本发明公开了以下技术效果：本发明保证入口物料的流动分布均匀，相较于常规板式叠加放大的微通道管道排布更为均匀；设置环隙挡板不仅可以将金属管与环隙孔道精准的同轴，而且设计不同结构的挡板可以使得环隙内流体发生扰动，通过合理的设置环隙挡板类型，并且依据不同反应混合需求可更改结构尺寸与挡板数量，间距，实现流体阻力，混合效率的精准调控，促进混合过程的进行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是含有环隙挡板逆流射流式微混合器的整体装置装配分节示意图；
图2是含有环隙挡板逆流射流式微混合器中心剖面及装置流动方式示意图；
图3是含有环隙挡板逆流射流式微混合器单环隙通道的流动方式示意图；
图4是含有环隙挡板逆流射流式微混合器单环隙通道中环隙挡板的结构示意图；
图5是12管组装式含有环隙挡板逆流射流式微混合器的整体结构示意图；
图6是12管组装式含有环隙挡板逆流射流式微混合器的整体装置装配分节示意图；
图7是含有环隙挡板逆流射流式微混合器随雷诺数增加混合可视化图像；
图8是含有环隙挡板逆流射流式微混合器随雷诺数增加混合效率图；
图9是含有环隙挡板逆流射流式微混合器应用于酸碱中和反应的可视化图；
其中，1、中心进液管；2、进液盖板；3、密封环；4、分支进液管；5、金属管；6、环隙挡板；7、中心板；8、出液盖板；9、出液管；10、分流腔；11、环隙孔道；12、微槽；13、汇流腔。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明提供一种逆流射流环隙微混合器，包括：密封环3，密封安装在密封环3两侧的进液盖板2和出液盖板8；进液盖板2和出液盖板8中心分别安装有中心进液管1和出液管9；密封环3周壁等间距开设有若干个导流孔，每一导流孔内安装有一分支进液管4；中心进液管1和分支进液管4内分别填充有两种流体；
密封环3内还设置有中心板7，中心板7靠近进液盖板2的端面中心向内凹陷形成有分流槽，且分流槽内壁周向等间距布置有若干个环隙孔道11；环隙孔道11延伸至中心板7外壁；且环隙孔道11与导流孔位置对应，高度相同；环隙孔道11内还安装有环隙挡板6。
分支进液管4一端还连接有金属管5；金属管5贯穿导流孔并伸入环隙孔道11内；金属管5外壁与环隙孔道11之间安装有若干个环隙挡板6。
中心板7一端面与进液盖板2贴合，中心板7周壁与密封环3内壁及中心板7另一端面与出液盖板8共同形成有微槽12。
进液盖板2和出液盖板8相对面均向内凹陷，且分别形成有分流腔10和汇流腔13；中心进液管1内流入的流体在分流腔10内分别流向各个环隙孔道11，与分支进液管4内流入的另一液体在环隙孔道11碰撞混合；流体混合后通过微槽12进入汇流腔13。
环隙挡板6为圆孔型板、四角型板和两角型板；环隙挡板6套设在金属管5外壁。
由于金属管5和环隙孔道11管径不同，使两种流体存在速度差；且两流体的流量比为1-5。
中心板7面积为0.001～0.785mm2；分流腔10及分流槽面积均为0.0005～0.78mm2；汇流腔13面积为0.0005～0.78mm2；金属管5的管径为0.3-9.9mm；环隙孔道11的内径为0.4-10mm。
的中心进液管1内径为3-30mm，体积流量为0.01-200L/min，分支进液管4流体流速为0.01-50m/s，体积流量为0.1-10ml/min，内径为1.5-10mm。
在本发明的一个实施例中，本申请中混合器基材为紫铜、不锈钢或石英材料，混合器工作温度范围为-50℃～1000℃，基材为紫铜及不锈钢材质时，可应用于液-液体系，气-液体系的无机、有机物的混合及合成；还应用于高放热有机合成反应，例如硝化反应、酸碱中和反应等。
在本发明的一个实施例中，中心板7内还可设置加热装置，由于中心板7厚度较低为0.5-1cm，使得温度控制更为精准.
在本发明的一个实施例中，每一环隙挡板6与环隙孔道11之间形成环隙微孔道，每一金属管5上安装有若干个环隙挡板6；环隙通道中的环隙挡板6不仅可以起到精准实现金属管5与环隙孔道11同轴心，为金属管5起到支撑作用，还可以设计不同尺寸及构型对流体实现混沌对流，促进混合效率提升，围挡板为圆型孔板、四角型孔板和两角型孔板。
进一步的，如图4所示，环隙挡板6填充个数为1～10个；环隙挡板6直径为0.4～0.8mm；环隙挡板6内径为0.3～0.8mm,环隙挡板6厚度为0.1～2mm。
进一步的，环隙微孔道物料混合模式为非等管径撞击混合与环隙扰流混合，依靠金属管5与环隙孔道11流体的速度差实现高效一次混合，随后反向流入环隙微通道，依靠环隙挡板6进行扰流实现流体二次混合，混合器可适用于不同体积流量比的化学合成，两股流体均可在1～5的流量比范围内混合。
在本发明的一个实施例中，一种物料由中心进液管1流入，经过进液盖板流入中心板7的中心腔室，流入后的物料分散至各个环隙孔道11。另一种物料由各个分支的分支进液管4流入，分支进液管4连接在金属管5上。物料流入金属管5后再由环隙孔道11流出。此时两种物料在环隙孔道11中发生撞击，随速度增加，撞击扰动逐渐剧烈促进一次混合，一次混合后的物料由环隙孔道11与金属管5所形成的环隙微通道流出，在环隙孔道11内设置有环隙挡板6，可促进物料二次混合。物料经环隙通道经由板侧壁微槽12后流入中心板7背面微槽12，各单元微槽12所流入中心板背面腔室进行汇聚后，经过出液管9流出微混合器。
进一步的，本发明所述着重于精细化工合成、制备纳米颗粒等领域上的应用。本发明可实现温度控制精准，同时物料分配平均，且耐高温，适用于于硝化反应，磺化反应等高放热反应，同时可以并联多通道，实现高通量生产，可应用于工业化有机物合成。
本发明的工作原理是：两种物料分别经由金属管5于环隙孔道11发生撞击，因为在同样体积流量的情况下，由于需要构成同轴套管环隙通道，导致环隙孔道11与金属管5截面积出现不同，这样使得撞击区两股物料流速存在差异，在环隙通道物料雷诺数大于100的情况下，金属管的流体流速会是环隙孔道11流速的5～20倍，在这样条件下金属管5流体喷射会在撞击区出现混沌对流现象，减小了扩散时间，并且撞击后的物料需要流入环隙当中，由环隙孔道11流入环隙通道时形成的扩缩结构也会促进流体混合。
此外，在环隙通道当中，设置的环隙挡板不仅可以保证环隙通道的同轴也会持续的流体进行扰动，随流速增加，扰动会更加剧烈，进一步加剧了流体在环隙微通道中的混合，通过微通道撞击区的一次混合与带有挡板环隙区的二次混合共同完成物料。
在本发明的实施例一中，如图5所示，图中微混合器的基材是紫铜，中心板直径为5cm，中心板分流腔10直径为1cm，深度为0.5cm，汇流腔13直径为1cm，深度为0.5cm，环隙孔道11直径为1mm，圆孔长度为2cm，中心进液管1内径为3mm，分支进液管4外径为1.5mm，内径为1mm数量为12支，金属管5外径为0.6mm，内径为0.3mm，间隙挡板6为圆孔形孔板，外径为1mm，内径为0.6mm，孔板包括十二个孔道，孔径为0.05mm。
整体装置可处理流量为0.1-240ml/min的液相反应物，并且管内与孔道分布均匀，且混合区域为2cm，适用于实验室物料混合。
在本发明的实施例二中，为了对逆流射流环隙微通道的混合性能进行详细分析，对逆流射流环隙微通道进行可视化实验研究。微通道稳定运行阶段，通过光学显微镜机观测亚甲基蓝去离子水溶液与去离子水在微通道的分布情况，并分析通过颜色进行分析其混合性能，其中，光学显微镜选用日本的Nikon eclipse LV100NO。亚甲基蓝水溶液浓度为8mg/L。
如图6所示，本实施例中，环隙孔道11直径为1mm，圆孔长度为2cm，分支进液管4外径为1.5mm，内径为1mm，金属管5外径为0.6mm，内径为0.3mm，环隙挡板6为四角型孔板，外径为1mm，内径为0.6mm，挡板数量为2个，挡板间距为0.5cm。由图6可知，随环隙通道内雷诺数不断增大，在雷诺数为1时，相对流速非常低，混合主要依靠分子扩散，而非对流扩散，因此环隙处的小通道有利于流体混合，在雷诺数10-30下，逆流射流混合段因相对速度较低无法形成局部湍动，并且挡板在流速较低时也无法产生较大扰动，导致在环隙通道1cm处混合效率较低，随雷诺数增大，在雷诺数为100时，去离子水与亚甲基蓝去离子水溶液已无明显分界层，表明此时流体混合较好。
在本发明的实施例三中，图7为含有环隙微型挡板逆流射流式微混合器混合效率图。微混合器的实验条件与实施例二相同。用ImageJ软件将图像转换为灰度格式，得出图像灰度数据。再利用以下方法对数据进行进一步处理，最终得到混合度M(Mixing Index)。
微混合器的混合效率(M)的定义为：
式中，n为所选横截面区域内像素点总数；cm为所选截面区域内组分浓度的统计平均即期望；ci为采样像素点i上的组分浓度；σ为横截面上组分浓度的标准差；为最强方差。M为检测区域的混合强度，当流体完全混合时其值为1，当流体完全未混合时混合强度为0。如图7所示，本实施例中，圆形孔道直径为1mm，圆孔长度为2cm，分支进液管外径为1.5mm，内径为1mm，金属管外径为0.6mm，内径为0.3mm，挡板为四角型孔板，外径为1mm，内径为0.6mm，挡板数量为2个，挡板间距为0.5cm。由图7可知，实验随流速增加混合度呈现先减小后增加的趋势，由实验可知在低流速区主要依靠分子扩散作为混合方式，而随流速增大，以流体相向撞击来促进对流混合为微通道主要混合方式，并且随流速增加对流撞击更为剧烈，使得环隙区混合效率提升，在雷诺数为100时，通道混合距离1cm处混合效率达到70％
在本发明的实施例四中，为了对逆流射流环隙微通道实现酸碱快速反应性能进行详细分析，对逆流射流环隙微通道进行可视化实验研究。微通道稳定运行阶段，酚酞和碱性溶液由无色变为红色可以作为评价微混合器性能的直观方法，实验利用并且加入氢氧化钠-酚酞显色反应来观察微通道内的反应情况，两种无色试剂接触反应过后会变为红色。通过光学显微镜机观测酚酞-乙醇溶液与氢氧化钠-乙醇溶液在微通道的反应情况，并通过颜色进行分析其快速反应性能，其中，光学显微镜选用日本的Nikon eclipse LV100NO。酚酞水溶液浓度为1g/L，氢氧化钠水溶液浓度为1g/L。
如图7所示，本实施例中，环隙孔道11直径为1mm，圆孔长度为2cm，分支进液管4外径为1.5mm，内径为1mm，金属管5外径为0.6mm，内径为0.3mm，环隙挡板6为四角型孔板，外径为1mm，内径为0.6mm，挡板数量为2个，挡板间距为0.5cm。由图7可知，在Re＝1时，由于撞击速率较慢，氢氧化钠溶液与酚酞溶液有长时间扩散，因此在喷口处红色的颜色整体较为深，随流速增大，当Re＝10时。可以观察到，颜色较深的位置只有在喷射轮廓的界面上，说明此时反应只有在界面处发生，也证实了此时的反应情况较差，而随着流速进一步增大，Re＝50的情况下，反应的颜色变浅，此时反应情况由于流速变快并且撞击区依旧维持稳定的轮廓，还是第一种模式的分层流，此时反应情况依旧较差，而当Re＝100时，由于流型的转变，并且撞击区猛烈的对流状态下，促进了混合，也使得反应较稳迅速，有图像可观察到，流入环隙时的溶液均为颜色较深的红色，这也说明了逆流射流环隙微混合器可以实现快速反应的特征。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (3)
1.一种逆流射流环隙微混合器，其特征在于，包括：密封环（3），密封安装在所述密封环（3）两侧的进液盖板（2）和出液盖板（8）；所述进液盖板（2）和出液盖板（8）中心分别安装有中心进液管（1）和出液管（9）；所述密封环（3）周壁等间距开设有若干个导流孔，每一所述导流孔内安装有一分支进液管（4）；所述中心进液管（1）和分支进液管（4）内分别填充有两种流体；
所述密封环（3）内还设置有中心板（7），所述中心板（7）靠近所述进液盖板（2）的端面中心向内凹陷形成有分流槽，且所述分流槽内壁周向等间距布置有若干个环隙孔道（11）；所述环隙孔道（11）延伸至所述中心板（7）外壁；且所述环隙孔道（11）与所述导流孔位置对应，高度相同；所述环隙孔道（11）内还安装有环隙挡板（6）；所述分支进液管（4）一端还连接有金属管（5）；所述金属管（5）贯穿所述导流孔并伸入所述环隙孔道（11）内；所述金属管（5）外壁与所述环隙孔道（11）之间安装有若干个所述环隙挡板（6）；所述中心板（7）一端面与所述进液盖板（2）贴合，所述中心板（7）周壁与密封环（3）内壁及所述中心板（7）另一端面与所述出液盖板（8）共同形成有微槽（12）；所述进液盖板（2）和出液盖板（8）相对面均向内凹陷，且分别形成有分流腔（10）和汇流腔（13）；所述中心进液管（1）内流入的流体在所述分流腔（10）内分别流向各个所述环隙孔道（11），与所述分支进液管（4）内流入的另一液体在所述环隙孔道（11）碰撞混合；所述流体混合后通过所述微槽（12）进入所述汇流腔（13）；所述环隙挡板（6）为圆孔型板、四角型板和两角型板；所述环隙挡板（6）套设在所述金属管（5）外壁；由于所述金属管（5）和环隙孔道（11）管径不同，使两种所述流体存在速度差；且两所述流体的流量比为1-5。
2.根据权利要求1所述的一种逆流射流环隙微混合器，其特征在于：所述中心板（7）面积为0.001～0.785mm2；所述分流腔（10）及分流槽面积均为0.0005～0.78mm2；所述汇流腔（13）面积为0.0005～0.78mm2；所述金属管（5）的管径为0.3-9.9mm；所述环隙孔道（11）的内径为0.4-10mm。
3.根据权利要求1所述的一种逆流射流环隙微混合器，其特征在于：所述的中心进液管（1）内径为3-30mm，体积流量为0.01-200L/min，所述分支进液管（4）流体流速为0.01-50m/s，体积流量为0.1-10ml/min，内径为1.5-10mm。
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