CN116272741A - 一种三维蛇形分裂重组微反应通道 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维蛇形分裂重组微反应通道，设置有依次连接的入口通道、上下双层设计的蛇形混合通道以及出口通道；所述蛇形混合通道由若干通道宽度周期性变化的蛇形混合单元组成；本发明提供的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，解决了普通三维微反应通道混合效果不佳的问题，对单层通道进行了特殊设计，采用相切的半圆弧边组成蛇形混合单元，其宽度周期性变化的弯曲流道可以使流体不断被拉伸、剪切、折叠、碰撞，同时在上下流道交汇处形成涡流，极大的增强了流体湍动程度，在保证较小的流动阻力的同时，可以显著提升微反应通道的混合效果。
Description
技术领域
本发明涉及微反应器、微流体混合领域，具体地说是一种三维蛇形分裂重组微反应通道。
背景技术
与传统反应器相比，微反应器具有通道特征尺寸小，比表面积大的特征。由于微反应器传质传热效率高，可以对反应进行精准的热力学和动力学控制，其极大的比表面积使得反应产生的大量的热可以及时被冷却介质移除，同时较小的持液量限制了反应不可控的后果。微反应器设计的核心在于其通道结构设计，优秀的通道结构不仅可以减少流体死区避免固体颗粒沉积，还可以增强流体湍动程度，强化传质传热。
目前常见的微反应通道设计大多为二维流道，有设置挡板、弯曲流道、设置回流装置等。其中最常用的设置挡板可以改变流体的流动方向，增加接触和碰撞的频率，从而促进传质，但这种流道的流动阻力较大。弯曲的流道可以改变流体的速度方向，形成二次流，从而强化混合，其结构较为简单，方便加工，但相较设置挡板而言混合效果较差。
近年来出现了一些三维分裂重组微通道设计，利用双层设计，将主流道分为多个副流道，通过重复的混合单元不断将流体分裂、重组，多次改变流体的流向，从而达到流体混合的效果。但现有的三维分裂重组微通道，仅在副流道交汇处有较强的混合效果，而忽略了单层结构设计对于强化传质传热效果的作用，整体混合效率有待提高。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有普通三维式分裂重组微反应通道只在副流道交汇处存在剧烈的流体湍动，混合效率比较高，而在单层副流道中流体基本只依靠分子扩散缓慢混合的缺点，本发明设计了一种三维蛇形分裂重组微反应通道，对单层通道进行了结构设计，兼具了弯曲流道的高混合效率与三维分裂重组微通道的低流阻。
本发明提供了一种三维蛇形分裂重组微反应通道，包括依次连接的入口通道、混合通道主体以及出口通道；
所述入口通道包括第一流体进口以及第二流体进口，第一流体进口与第二流体分别位于入口通道的两端；入口通道与混合通道主体呈T形布置；所述出口通道设置在混合通道主体末端；
所述混合通道主体包括设置在上部的第一蛇形通道与设置在下部的第二蛇形通道，第一蛇形通道与第二蛇形通道关于宽度方向的中轴线中心对称；所述第一蛇形通道与第二蛇形通道具有相同的结构，由若干个蛇形混合单元头尾连接组成；所述蛇形混合单元呈S型，且蛇形混合单元的通道宽度从蛇形混合单元的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构；流体在单个蛇形混合单元内流向发生两次180°转变；第一蛇形通道的蛇形混合单元与第二蛇形通道的蛇形混合单元在头部、中部以及尾部三个位置接触且在接触位置相互连通。
作为本发明的优选方案，蛇形混合单元由相切的第一短圆弧和第二长圆弧连接而成的曲边以及相切的第一长圆弧和第二短圆弧连接而成的曲边组成，所述第一短圆弧、第一长圆弧、第二长圆弧、第二短圆弧均为半圆弧。
作为本发明的优选方案，蛇形混合单元最窄通道宽度为200μm-800μm，蛇形混合单元最宽通道宽度w3为300μm-2400μm，最宽通道宽度与最窄通道宽度之比w3/w2为2:1-3:1；第一短圆弧与第二短圆弧围成的偏心圆直径与最窄通道宽度之比D/w2为1:1-2:1。
作为本发明的优选方案，所述第一流体进口以及第二流体进口宽度相等，宽度范围为200μm-1000μm。
作为本发明的优选方案，所述第一蛇形通道与第二蛇形通道的通道高度与蛇形混合单元的最窄通道宽度之比h/w2为1:1-1:3。
作为本发明的优选方案，三维蛇形分裂重组微反应通道可以根据实际混合效率以及反应时间的要求，灵活蛇形选择混合单元的数量。
本发明还提供了一种上述三维蛇形分裂重组微反应通道的工作方法，包括以下步骤：
1)将待混合的流体分别从第一流体进口和第二流体进口输入，待混合的流体在混合通道主体的入口处开设进行碰撞混合；
2)进入混合通道主体的流体一部分进入第一蛇形通道，另一部分进入第二蛇形通道；在蛇形混合单元中，由于蛇形混合单元的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构使得流体不断被拉伸、剪切，破坏了流体边界层，形成混沌流；
3)流体在通过第一蛇形通道与第二蛇形通道的相互连通处时，流体的速度方向相反，并在相互连通处进行交汇，从而形成了涡流；
4)流体在一个蛇形混合单元混合交汇后进入下一个蛇形混合单元，经若干个蛇形混合单元混合后的流体从出口通道流出。
与现有技术相比，本发明所具有的有益效果有：
一方面，采用了双层流道设计，第一蛇形通道与第二蛇形通道上下层叠且连接相通，由于上下通道的对称布置，在通道交汇处，流体速度方向相反，从而形成旋转的流线，增强了此处流体湍动程度，流体经过多次的分裂、重组，可以达到较好的混合效果；另一方面，对单层的蛇形通道进行了特殊设计，蛇形混合单元由相切的半圆弧组成，减少了流动死区，降低了流动阻力，增大了流体接触面积，同时通道宽度的周期性变化，使得流体不断被拉伸、剪切，破坏了流体边界层，形成混沌流，进一步强化了传质传热。
附图说明
图1为一种三维蛇形分裂重组微反应通道示意图；
图2为一种三维蛇形分裂重组微反应通道透视图；
图3为一种三维蛇形分裂重组微反应通道内流体混合仿真的流线图；
图4为一种三维蛇形分裂重组微反应通道内流体混合仿真的浓度梯度图；
图5为二维蛇形分裂重组微反应通道几何结构；
图6为传统三维分裂重组微反应通道几何结构；
图7为不同微反应通道的混合效率对比图；
图中：1、第一流体进口；2、第二流体进口；3、第一短圆弧；4、第一长圆弧；5、第二长圆弧；6、第二短圆弧；7、蛇形混合单元；8、第一蛇形通道；9、第二蛇形通道。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。所述实施例仅是本公开内容的示范且不圈定限制范围。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如附图1所示，本方法提供了一种三维蛇形分裂重组微反应通道，包括依次连接的入口通道、混合通道主体以及出口通道；
入口通道包括第一流体进口1以及第二流体进口2，第一流体进口1与第二流体2进口与混合通道主体呈T形布置，第一流体进口1以及第二流体进口2宽度w1相等，为200μm-1000μm；待混合物料分别从两个进口进入；
如附图2所示，所述混合通道主体包括设置在上部的第一蛇形通道8与设置在下部的第二蛇形通道9，所述第一蛇形通道8与第二蛇形通道9的接触位置相互连通，并在平面上的投影关于宽度方向的中轴线对称；所述第一蛇形通道8与第二蛇形通道9具有相同的结构，由若干个蛇形混合单元7头尾连接组成；蛇形混合单元7呈S型，第一蛇形通道8的蛇形混合单元与第二蛇形通道9的蛇形混合单元上下结合为“8”字型；蛇形混合单元7的通道宽度从蛇形混合单元7的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构；其最窄通道宽度w2为200μm-800μm，其最宽通道宽度w3为300μm-2400μm，最宽通道宽度与最窄通道宽度之比w3/w2为2:1-3:1；流体在单个蛇形混合单元内流向发生两次180°转变；
在本发明的一个实施例中，蛇形混合单元7由第一短圆弧3和第二长圆弧5连接而成的曲边以及第一长圆弧4和第二短圆弧6连接而成的曲边组成，所述第一短圆弧3、第一长圆弧4、第二长圆弧5、第二短圆弧6都为半圆弧；第一短圆弧3与第二短圆弧6围成的偏心圆直径与最窄通道宽度之比D/w2为1:1-2:1。
在本发明的一个实施例中，第一蛇形通道8与第二蛇形通道9的通道高度h与蛇形混合单元7的最窄通道宽度之比h/w2为1:1-1:3。
为了进一步说明本发明三维蛇形分裂重组微反应通道的工作过程，本发明还提供了一种三维蛇形分裂重组微反应通道的工作工作方法，包括以下步骤：
1)将待混合的流体分别从第一流体进口和第二流体进口2输入，待混合的流体在混合通道主体的入口处开设进行碰撞混合；
2)进入混合通道主体的流体一部分进入第一蛇形通道8，另一部分进入第二蛇形通道9；在蛇形混合单元7中，由于蛇形混合单元7的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构使得流体不断被拉伸、剪切，破坏了流体边界层，形成混沌流；
3)流体在通过第一蛇形通道8与第二蛇形通道9的相互连通处时，流体的速度方向相反，并在相互连通处进行交汇，从而形成了涡流；
4)流体在一个蛇形混合单元7混合交汇后进入下一个蛇形混合单元7，经若干个蛇形混合单元7混合后的流体从出口通道流出。
实施例1：三维蛇形分裂重组微反应通道
采用COMSOL Multiphysics软件进行流体混合仿真以测试三维蛇形分裂重组微反应通道的混合性能，流体材料为水，密度为1000kg/m3，动力粘度为0.001Pa·s，溶质扩散系数为10-9m2/s。计算模型采用稀物质传递模型来耦合流动与传质过程，调节流体入口速度分别对雷诺数Re为0.1、1、10条件下流体的混合过程进行仿真模拟。可以使用出口截面处，溶质浓度的标准差来对微反应通道的混合效率进行评价，其计算公式如下：
其中η为混合效率，ci为点i处的示踪剂质量分数，
为完全混合时的浓度。
结果显示，如附图3所示，由于采用了三维的流道设计，第一蛇形通道与第二蛇形通道上下层叠且连接相通，在通道交汇处，流体速度方向相反，从而形成旋转的流线，表面此处有涡流产生，流体湍动程度大大增强。如附图4所示，流体经过多次的分裂、重组，在经过大约三至四个蛇形混合单元后，就可以达到较好的混合效果。
对比例1：二维蛇形分裂重组微反应通道
采用COMSOL Multiphysics软件进行流体混合仿真以测试二维蛇形分裂重组微反应通道的混合性能，所述二维蛇形分裂重组微反应通道为本发明的单层结构，如图5所示。流体材料为水，密度为1000kg/m3，动力粘度为0.001Pa·s，溶质扩散系数为10-9m2/s。计算模型采用稀物质传递模型来耦合流动与传质过程，调节流体入口速度分别对雷诺数Re为0.1、1、10条件下流体的混合过程进行仿真模拟。
对比例2：传统三维分裂重组微反应通道
采用COMSOL Multiphysics软件进行流体混合仿真以测试传统三维分裂重组微反应通道的混合性能，其几何结构如图6所示。流体材料为水，密度为1000kg/m3，动力粘度为0.001Pa·s，溶质扩散系数为10-9m2/s。计算模型采用稀物质传递模型来耦合流动与传质过程，调节流体入口速度分别对雷诺数Re为0.1、1、10条件下流体的混合过程进行仿真模拟。
如附图7所示，实施例1与对比例1对比发现，三维蛇形分裂重组微反应通道的流体混合性能优于二维蛇形微反应通道，这是三维蛇形分裂重组微反应通道设计中，流体在流经上下两层蛇形通道的交汇处，速度方向相反，从而形成了涡流，受到了更大的扰动，具有更强烈的湍动程度。在单层的蛇形通道基础上，可以进一步强化传质传热。实施例1与对比例2对比发现，在雷诺数0.1到100的区间内，三维蛇形分裂重组微反应通道的流体混合性能均优于传统三维蛇形微反应通道，且随着雷诺数的增大，两者的性能差距略有缩小。这是因为，传统三维分裂重组微反应通道没有对单层结构进行特殊设计，其中的流体始终处于平稳的流动状态，而三维蛇形分裂重组微反应通道，单层结构采用了直径周期性变化的设计，流体不断被拉伸、剪切，破坏了流体边界层，形成混沌流，从而强化了传质传热效果。
Claims (7)
1.一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，包括依次连接的入口通道、混合通道主体以及出口通道；
所述入口通道包括第一流体进口(1)以及第二流体进口(2)，第一流体进口(1)与第二流体(2)分别位于入口通道的两端；入口通道的中间部位与混合通道主体的首端连通且入口通道与混合通道主体呈T形布置；所述出口通道设置在混合通道主体末端；
所述混合通道主体包括设置在上部的第一蛇形通道(8)与设置在下部的第二蛇形通道(9)，第一蛇形通道(8)与第二蛇形通道(9)关于宽度方向的中轴线中心对称；所述第一蛇形通道(8)与第二蛇形通道(9)具有相同的结构，由若干个蛇形混合单元(7)头尾连接组成；蛇形混合单元(7)的通道宽度从蛇形混合单元(7)的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构；流体在单个蛇形混合单元内流向发生两次180°转变；第一蛇形通道(8)的蛇形混合单元(7)与第二蛇形通道(9)的蛇形混合单元(7)在头部、中部以及尾部三个位置接触且在接触位置相互连通。
2.根据权利要求1所述的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，蛇形混合单元(7)由相切的第一短圆弧(3)和第二长圆弧(5)连接而成的曲边以及相切的第一长圆弧(4)和第二短圆弧(6)连接而成的曲边组成，所述第一短圆弧(3)、第一长圆弧(4)、第二长圆弧(5)、第二短圆弧(6)均为半圆弧。
3.根据权利要求2所述的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，所述蛇形混合单元(7)最窄通道宽度w2为200μm-800μm，蛇形混合单元(7)最宽通道宽度w3为300μm-2400μm，最宽通道宽度与最窄通道宽度之比w3/w2为2:1-3:1；第一短圆弧(3)与第二短圆弧(6)围成的偏心圆直径与最窄通道宽度之比D/w2为1:1-2:1。
4.根据权利要求1所述的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，所述第一流体进口(1)以及第二流体进口(2)宽度相等，宽度范围为200μm-1000μm。
5.根据权利要求1所述的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，所述所述第一蛇形通道(8)与第二蛇形通道(9)的通道高度h与蛇形混合单元(7)的最窄通道宽度之比h/w2为1:1-1:3。
6.根据权利要求1所述的一种三维蛇形分裂重组微反应通道，其特征在于，所述三维蛇形分裂重组微反应通道根据实际混合效率以及反应时间的要求，灵活选择蛇形混合单元的数量。
7.一种如权利要求1所述三维蛇形分裂重组微反应通道的工作方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将待混合的流体分别从第一流体进口和第二流体进口(2)输入，待混合的流体在混合通道主体的入口处开始进行碰撞混合；
2)进入混合通道主体的流体一部分进入第一蛇形通道(8)，另一部分进入第二蛇形通道(9)；在蛇形混合单元(7)中，由于蛇形混合单元(7)的头部到尾部具有由窄到宽再到窄的结构使得流体不断被拉伸、剪切，破坏了流体边界层，形成混沌流；
3)流体在通过第一蛇形通道(8)与第二蛇形通道(9)的相互连通处时，流体的速度方向相反，并在相互连通处进行交汇，从而形成了涡流；
4)流体在一个蛇形混合单元(7)混合交汇后进入下一个蛇形混合单元(7)，经若干个蛇形混合单元(7)混合后的流体从出口通道流出。
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