CN117619214A - 一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，涉及化工微流体混合领域。所述微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管、一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；所述主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，两个所述方形进口管与主体混合区相切，方形进口管与主体混合区相连通。流体通过进口管进入主体混合区，螺旋向下，冲撞混合，最终从出口处流出。本混合器内流体通过螺旋流动，不断改变流向与流形，产生漩涡流以提升混合效果。
Description
技术领域
本发明涉及化工微流体混合领域，尤其涉及一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器。
背景技术
微混合器被用于实现微流体系统中样品间的快速均匀混合。随着微流体和微制造技术的发展，微混合器被用于医学检测、化学反应、药物合成等各种领域。相比于宏观反应系统，由于尺度的大幅缩小，微流体系统具有反应效率高、灵敏度高、精度高、消耗试剂少等优势。反应物之间的充分混合，使产物更加稳定均匀。在一些特定情况下，还可通过控制混合时间调节产物的粒径分布。而鉴于其高灵敏度、高精度及微量化试剂的特征，微混合器在检测领域展现出巨大的潜力。
根据其混合机制，微混合器可分为主动式和被动式两种。主动式微混合器利用外部能量场，如电场、磁场、声场、热场和压力场等来影响流体状态。这种方式十分有效且灵活，因此主动式微混合器具有广泛的前景。但主动式微混合器需要植入使外场生效的组件，通常具有更加复杂的结构，不易制造。并且外部能量场对流体状态也会有升温等不利影响。被动式混合器则是依靠其特殊的几何结构来影响流体状态，如涡旋、拉伸、折叠流体等。被动式微混合器结构简单、体积小。但混合条件相对来说更严格，且对流体状态的影响程度通常不如主动式微混合器。
微混合器内通常处于层流状态，雷诺数较小。在无特殊设计的情况下，混合通常以扩散为主，效果不佳。通过设计微混合器的结构，以增大流体间的接触面积，可以有效促进混合。被动式微混合器常见的混合形式包括：1.增加截面面积，缩短扩散距离；2.分散再汇合，诱导流体碰撞形成迪恩涡；3.设置挡板，改变流向，产生分离涡；4.基于收缩和膨胀效应形成膨胀涡；5.改变流体流向和流形，形成漩涡流。现有的被动式混合器通常为平面结构，且存在混合时间长、混合效果不佳等问题。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提出了一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器。
用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管，一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；
所述主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，其中，内侧面为倒置的圆锥面，顶面为圆环面，外侧面至上而下包括相互连接的一段圆柱面和一段圆台面；所述圆锥面、圆环面、圆柱面、圆台面的中心轴线共线，圆环面水平布置，其内圈与所述倒置的圆锥面的底面相连；所述圆柱面与圆环面的外圈相连；所述圆台面至上而下直径渐缩，圆台面锥角与圆锥面锥角相同，均为α；圆台面的下底面开口与圆形出口管相连；
两个所述方形进口管安装在所述圆柱面上，方形进口管与圆柱面相切，方形进口管与主体混合区相连通，圆柱面高度与方形进口管高度相同。
作为本发明的优选方案，所述圆环面内圈直径d3与倒置的圆锥面的底面直径相等，外圈直径d2与圆柱面的直径相等。
作为本发明的优选方案，所述圆台面与圆锥面的锥角α范围为：90°-140°
作为本发明的优选方案，所述方形进口管与圆形出口管的水力直径相等。
作为本发明的优选方案，方形进口管与圆形出口管的水力直径为d1，0.5mm<d1<2mm。
作为本发明的优选方案，圆环面的外圈直径为d2，内圈直径为d3，10mm<d3<d2<20mm。
作为本发明的优选方案，进口管长度以与主体混合区相切的外平面长度计，其长度为L1，L1≥5*d1，d1为方形进口管的水力直径。
作为本发明的优选方案，出口管长度L2≥0.5*(d2-d1)*cot(α/2)，d1为圆形出口管的水力直径，d2为圆环面的外圈直径。
本发明主体混合区圆台侧面与圆锥体的侧面形成曲面平行关系。该微混合器的剖面近似于Y型。
本发明的优点是：
1.本发明利用螺旋流改变流体的流向与流形，通过立体结构增大流体流动时的接触面积。在主混合区设置圆锥形凹槽(由倒置的圆锥形内侧面所形成)，进一步引导流体的流向的同时，流向与流形的改变使流体在主混合区内部形成漩涡流，增加了流体间的接触，有效促进了混合，提高了混合效果。
2.本发明结构简单，仅包括进口管、出口管与主体混合区，易制造；无死区，混合过程压降小，能量损失少。
附图说明
图1为本发明的结构主视图。
图2为本发明的过中轴线的截面图。
图3为不同雷诺数下的混合指数MI模拟图。
图4为本发明截面的速度分布及流线模拟图，入口雷诺数为15，其中a为与入口平面垂直的截面图，b为与入口平面平行的截面图。
图5为本发明截面的速度分布及流线模拟图，入口雷诺数为150，其中a为与入口平面垂直的截面图，b为与入口平面平行的截面图。
图6为本发明截面的速度分布及流线模拟图，入口雷诺数为600，其中a为与入口平面垂直的截面图，b为与入口平面平行的截面图。
图7为本发明出口平面速度分布图。其中a、b、c的入口雷诺数分别为15、150、600。
图8为使用3D打印技术打印的本发明实物图。
图9为使用碘化钾-碘酸钾反应体系验证混合效果的实验结果图，为Xs随总流量变化图。
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。
如图1、图2所示，本发明为螺旋立体式结构，包括两个互相平行的方形进口管1和2，一个垂直于进口管平面的圆形出口管3，一个主体混合区5。两个方形进口管1和2互相平行，且与主体混合区5相切。主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，其中，内侧面为倒置的圆锥面4，顶面为圆环面7，外侧面至上而下包括相互连接的一段圆柱面8和一段圆台面6；所述圆锥面4、圆环面7、圆柱面8、圆台面6的中心轴线共线，圆环面7水平布置，其内圈与所述倒置的圆锥面4的底面相连；所述圆柱面8与圆环面7的外圈相连；所述圆台面6至上而下直径渐缩，圆台面6锥角与圆锥面4锥角相同，均为α；圆台面6的下底面开口与圆形出口管3相连。主体混合区5的圆台面6与圆锥面4形成曲面平行关系。主体混合区5较小一侧的底面与出口管3连接。该微混合器的截面近似于Y型。
本发明进口管与出口管水力直径为d1，0.5mm<d1<2mm；主混合区圆台面的上底面直径(即圆柱面直径、圆环面外圈直径)为d2，主混合区圆台面的下底面直径与出口管直径相等，为d1，倒置的圆锥体底面直径(即圆环面内圈直径)为d3，8mm<d3<d2<20mm，所述圆台面与圆锥面的锥角α范围为：90°-140°，，进口管长度(以与主体混合区相切的外平面计)为L1，L1≥5*d1，出口管长度L2，L2≥0.5*(d2-d1)*cot(α/2)。
本发明的工作原理：两股待混合流体分别从进口管1和进口管2以一定流速比流入，两股流体在主混合区5交汇混合，最后从出口管3流出。
在选定范围内，本发明的混合效果均较好。结合一实例验证本发明的混合效果，该实例中d1＝1.5mm，d2＝12.3mm，d3＝9.3mm，L1＝10mm，L2＝6.5mm，α＝120°。使用3D打印技术打印该混合器。采用计算流体动力学的方法对本发明的混合效果进行数值模拟验证。本次模拟使用商用软件ANSYS Fluent进行。边界条件设置为：两个方形进口1和2均为速度入口，出口3设置为压力出口，模型选择Multiphase下的Mixture模型。两股流体设置为物性相同，密度1000kg/m3，黏度0.001Pa·s，进料流量比为1:1。检测出口平面的标准偏差值，代入MI计算公式以求解。
模拟结果如图3至图7所示。从图3可以看出，当雷诺数较低时，混合器的混合效果不佳；当雷诺数大于470时，MI指数大于0.9，说明混合效果好。
从图4,5,6可以看出，当雷诺数较小时，主体混合区内未产生漩涡流，流体间的混合主要依靠扩散作用，混合效果较差。随着雷诺数的升高，在流体间的碰撞以及曲率效应的作用下，产生了漩涡流，流体间的混合效果逐渐变好。对比可知，雷诺数升高会增加流体的湍动程度，这种效果体现在漩涡流的大小、强度上。
从图7可以看出，低雷诺数下，螺旋流的效果并不明显，速度呈中心往外侧逐渐减小的趋势。当雷诺数提高到一定成都时，速度分布明显改变，如图7c中所示，速度呈中心往外侧先增大后减小的趋势。这是因为高雷诺数下，两股流体以较高的流速交汇，以更加明显的螺旋式流形流出出口面，速度叠加后最终形成如图7所示的速度分布图。该种流形有效地促进了混合，增强了混合效果。
混合指数MI被广泛地用于量化混合效果，其公式为:
式中，σ为所分析横截面上物质浓度的标准差，N为所分析的横截面上的总单元数。Ci和分别为第i个单元的物质浓度以及完全混合时的物质浓度。σmax为完全未混合时的物质浓度标准差。因此，由公式定义可知，MI在0-1之间变化，混合效果越好，MI越接近于1；混合效果越差，MI越接近于0。
为了更详细、直观地了解微观尺度下的混合性能，通常采用Villermaux-Dushman方法，具体为碘化钾-碘酸盐反应体系，包括以下平行竞争反应：
其中反应1为准瞬时反应，反应速率远大于反应2。反应2生成I2，I2和I-反应生成使用紫外-可见分光光度计在353nm波长下测量吸光度，再根据朗伯比尔定律换算，得到生成物中/>的浓度。
使用另一种微观混合指数--离集指数Xs来量化混合效果，其表达式为：
其中，Y为参与反应2的H+量与加入的H+量之比，TST为混合过程无限慢时的T值。Xs等于0表示完全混合，Xs等于1表示完全离集。通常混合状态处于两者之间，即Xs处于0到1之间。
本实施例使用碘化钾-碘酸钾体系验证本发明的混合效果，使用3D打印技术打印本发明的微混合器，实物效果如图8所示。通过螺纹连接至注射泵，以进行后续实验。本次实验中各组分浓度如表1所示。
表1各组分浓度表
本次实验中两股流体为A和B，A溶液中溶质为KI、KIO3、H3BO3和NaOH，B溶液中溶质为H2SO4。A与B的流量比为7:1。检测反应后溶液的吸光度，根据朗伯比尔定律换算得到的量，计算离集指数Xs。
离集指数Xs随总流量变化如图9所示。由图9分析可知，随着总流量的增加(即雷诺数的增加)，Xs的值逐渐缩小，表明混合效果逐渐增强。
计算流体动力学模拟结果与实验结果都表明，本发明的一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器具有较强的混合效果。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述微混合器为立体结构，包括两个处于同一水平面且互相平行的方形进口管，一个垂直于进口管平面的圆形出口管和一个主体混合区；
所述主体混合区是由外侧面、内侧面、顶面包围而成的空腔，其中，内侧面为倒置的圆锥面，顶面为圆环面，外侧面至上而下包括相互连接的一段圆柱面和一段圆台面；所述圆锥面、圆环面、圆柱面、圆台面的中心轴线共线，圆环面水平布置，其内圈与所述倒置的圆锥面的底面相连；所述圆柱面与圆环面的外圈相连；所述圆台面至上而下直径渐缩，圆台面锥角与圆锥面锥角相同，均为α；圆台面的下底面开口与圆形出口管相连；
两个所述方形进口管安装在所述圆柱面上，方形进口管与圆柱面相切，方形进口管与主体混合区相连通，圆柱面高度与方形进口管高度相同。
2.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述圆环面内圈直径d3与倒置的圆锥面的底面直径相等，外圈直径d2与圆柱面的直径相等。
3.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述圆台面与圆锥面的锥角α范围为：90°-140°。
4.根据权利要求1所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，所述方形进口管与圆形出口管的水力直径相等。
5.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，方形进口管与圆形出口管的水力直径为d1，0.5mm<d1<2mm。
6.根据权利要求5所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，圆环面的外圈直径为d2，内圈直径为d3，10mm<d3<d2<20mm。
7.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，进口管长度以与主体混合区相切的外平面长度计，其长度为L1，L1≥5*d1，d1为方形进口管的水力直径。
8.根据权利要求4所述一种用于液液高效混合的螺旋式三维立体结构微混合器，其特征在于，出口管长度L2≥0.5*(d2-d1)*cot(α/2)，d1为圆形出口管的水力直径，d2为圆环面的外圈直径。
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