RU2732142C1 - Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops - Google Patents
Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops Download PDFInfo
- Publication number
- RU2732142C1 RU2732142C1 RU2019132388A RU2019132388A RU2732142C1 RU 2732142 C1 RU2732142 C1 RU 2732142C1 RU 2019132388 A RU2019132388 A RU 2019132388A RU 2019132388 A RU2019132388 A RU 2019132388A RU 2732142 C1 RU2732142 C1 RU 2732142C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- section
- drops
- housing
- accordance
- micro
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
- B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
- B01J8/04—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds the fluid passing successively through two or more beds
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B05—SPRAYING OR ATOMISING IN GENERAL; APPLYING FLUENT MATERIALS TO SURFACES, IN GENERAL
- B05B—SPRAYING APPARATUS; ATOMISING APPARATUS; NOZZLES
- B05B17/00—Apparatus for spraying or atomising liquids or other fluent materials, not covered by the preceding groups
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Abstract
Description
Изобретение относится к микродиспергаторам, в которых генерируются микрокапли преимущественно сферической формы нанолитрового и субнанолитрового объема, и далее сгенерированные капли могут быть использованы в химических, фармацевтических и других технологиях, в том числе для проведения массообменных процессов и химических реакций между реагентами, растворенными в каплях, либо растворенными в каплях и в сплошной среде, а также для последующего нанесения биологически активных веществ на поверхности сформированных капель.The invention relates to microdispersers, in which microdroplets of a predominantly spherical shape of nanoliter and subnanoliter volume are generated, and then the generated drops can be used in chemical, pharmaceutical and other technologies, including for carrying out mass transfer processes and chemical reactions between reagents dissolved in drops, or dissolved in drops and in a continuous medium, as well as for the subsequent application of biologically active substances on the surface of the formed drops.
Известно устройство для диспергирования капель или пузырей в микроканалах и проведения массообменных и реакционных процессов в системах жидкость-жидкость и жидкость-газ (МПК7 С01В 3/26, С07С 5/03, С07С 5/00, С07С 5/10, пат. США №6632414, 2003 г.). Аппарат содержит корпус протяженной формы с установленным в нем монолитным катализатором, состоящим из большого числа микроканалов, расположенных параллельно друг другу, патрубки для ввода исходных компонентов в корпус, устройство для диспергирования газа. В микроканалы подают газ и жидкость (либо две несмешивающиеся жидкости). В аппарате с монолитным катализатором в зависимости от соотношения расходов газа и жидкости может быть реализован один из следующих основных режимов течения: пузырьковый, снарядный, эмульсионный и пленочный (кольцевой).A device is known for dispersing drops or bubbles in microchannels and carrying out mass transfer and reaction processes in liquid-liquid and liquid-gas systems (IPC 7 С01В 3/26, С07С 5/03, С07С 5/00, С07С 5/10, US Pat. No. 6632414, 2003). The apparatus comprises an elongated body with a monolithic catalyst installed in it, consisting of a large number of microchannels located parallel to each other, nozzles for introducing the initial components into the body, and a gas dispersion device. Gas and liquid (or two immiscible liquids) are fed into the microchannels. In an apparatus with a monolithic catalyst, depending on the ratio of gas and liquid flow rates, one of the following main flow regimes can be implemented: bubble, slug, emulsion and film (annular).
В известном изобретении не предусмотрены меры по формированию капель или пузырей дисперсной фазы с заданными размерами. Это приводит к тому, что в каждом из каналов формируются пузыри с большим разбросом размеров. В итоге значительная часть микроканалов функционирует с показателями (коэффициентами тепло- и массообмена), существенно ниже расчетных значений, полученных исходя из предположения об идеальной картине формирования двухфазного потока в микроканалах.In the known invention, no measures are provided for the formation of droplets or bubbles of the dispersed phase with predetermined sizes. This leads to the formation of bubbles with a large scatter of sizes in each of the channels. As a result, a significant part of the microchannels operates with indicators (heat and mass transfer coefficients) that are significantly lower than the calculated values obtained on the assumption of the ideal pattern of the formation of a two-phase flow in microchannels.
Известно устройство - аналог предлагаемого изобретения - Т-образный смеситель (T-mixer) (Ребров Е.В. Режимы двухфазного течения в микроканалах // Теорет. основы хим. технологии, 2010, т. 44, №4, стр. 371-383), для которого характерен способ формирования пузырей (либо капель) путем передавливания формирующегося в смесителе пузыря (капли). При этом пузырь (капля) формируется в узком микроканале, обтекаясь потоком жидкости - сплошной фазы, движущейся в виде тонкой пленки. На процесс формирования пузыря (капли) влияет большое количество факторов: касательные напряжения на его поверхности, перепад давления между лобовой и тыльной частями пузыря (капли), силы поверхностного натяжения на границе отверстия, из которого истекает пузырь (капля), а также межфазное натяжение на поверхности микроканала, которое может быть асимметричным ввиду различия углов натекания и оттекания в лобовой и тыльной частях пузыря (капли). Сложная гидродинамическая обстановка вокруг формирующегося пузыря (капли), а также влияние на него близости стенок микроканала и их шероховатости предопределяет существенную нестабильность условий получаемых пузырей (капель) и их размеров, равно как и размеров жидкостных снарядов между ними. Все это, как указывалось выше, обуславливает ухудшение стабильности размеров генерируемых капель.Known device - an analogue of the proposed invention - T-mixer (T-mixer) (Rebrov E.V. Modes of two-phase flow in microchannels // Theoretical foundations of chemical technology, 2010, vol. 44, No. 4, pp. 371-383 ), which is characterized by the formation of bubbles (or drops) by squeezing a bubble (drop) formed in the mixer. In this case, a bubble (drop) is formed in a narrow microchannel, flowing around with a flow of liquid - a continuous phase moving in the form of a thin film. The process of bubble (drop) formation is influenced by a large number of factors: shear stresses on its surface, pressure drop between the frontal and rear parts of the bubble (drop), surface tension forces at the boundary of the hole from which the bubble (drop) emanates, as well as interfacial tension on surface of the microchannel, which can be asymmetric due to the difference in the angles of inflow and outflow in the frontal and rear parts of the bubble (droplet). The complex hydrodynamic situation around the forming bubble (droplet), as well as the effect of the proximity of the microchannel walls and their roughness on it, predetermines significant instability of the conditions of the resulting bubbles (drops) and their sizes, as well as the sizes of liquid projectiles between them. All of this, as mentioned above, causes a deterioration in the stability of the sizes of the generated drops.
Известно устройство - аналог предлагаемого изобретения - Y-образный смеситель (Y-mixer) (Ребров Е.В. Режимы двухфазного течения в микроканалах // Теорет. основы хим. технологии, 2010, т. 44, №4, стр. 371-383), для которого характерен способ формирования пузырей (либо капель) путем вытягивания и отрыва пузыря (капли). Большое количество влияющих условий и близость стенки микроканалов и в этом случае обуславливают нестабильность размеров получаемых пузырей (капель). Таким образом, и в Y-образном смесителе складываются неблагоприятные условия для управления размерами элементов дисперсной и сплошной фазы, а значит, и показателями эффективности работы оборудования.Known device - an analogue of the proposed invention - Y-shaped mixer (Y-mixer) (Rebrov E.V. Modes of two-phase flow in microchannels // Theoretical foundations of chemical technology, 2010, vol. 44, No. 4, pp. 371-383 ), which is characterized by the formation of bubbles (or drops) by stretching and tearing off a bubble (drop). A large number of influencing conditions and the proximity of the walls of the microchannels, in this case, also cause the instability of the sizes of the resulting bubbles (drops). Thus, in the Y-shaped mixer, unfavorable conditions are formed for controlling the dimensions of the elements of the dispersed and continuous phases, and hence the performance indicators of the equipment.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому нами устройству является микродиспергатор, интегрированный с микрореактором (Ueno М., Hisamoto Н., Kitamori Т., Kobayashi S. Phase-transfer alkylation reactions using microreactors // Chem. Commun., 2003, pp. 936-937; Wegmann A., von Rohr P.R. Two phase liquid-liquid flows in pipes of small diameters // International Journal of Multiphase Flow, V. 32, 2006, pp. 1017-1028) представляющий собой трубку с поперечным диаметром от 100-200 мкм до 7 мм, ввод фаз в которую осуществляется либо под прямым углом (Т-образный смеситель), либо под острым углом примерно 30° (Y-образный смеситель).The closest in technical essence to the device we propose is a microdisperser integrated with a microreactor (Ueno M., Hisamoto N., Kitamori T., Kobayashi S. Phase-transfer alkylation reactions using microreactors // Chem. Commun., 2003, pp. 936 -937; Wegmann A., von Rohr PR Two phase liquid-liquid flows in pipes of small diameters // International Journal of Multiphase Flow, V. 32, 2006, pp. 1017-1028) which is a tube with a transverse diameter of 100- 200 μm to 7 mm, into which the phases are introduced either at a right angle (T-shaped mixer) or at an acute angle of about 30 ° (Y-shaped mixer).
К недостаткам известного устройства относятся невозможность регулировать условия диспергирования. Как и в устройствах-аналогах, в данном устройстве (в Т-образном и в Y-образном смесителях) складываются неблагоприятные условия для формирования размеров элементов дисперсной и сплошной фазы (капель и пузырей) и управления ими. Это приводит к ограничению области применения устройства узкими диапазонами расходов сплошной и дисперсной фаз, поскольку при изменении расходов существенно изменяется гидродинамическая обстановка в аппарате и нарушается режим течения двухфазной смеси.The disadvantages of the known device include the inability to regulate the dispersion conditions. As in analogous devices, in this device (in the T-shaped and in the Y-shaped mixers) unfavorable conditions are formed for the formation of the sizes of the elements of the dispersed and continuous phases (drops and bubbles) and their control. This leads to the limitation of the field of application of the device to narrow ranges of the flow rates of the continuous and dispersed phases, since when the flow rates change, the hydrodynamic situation in the apparatus changes significantly and the flow regime of the two-phase mixture is disturbed.
Кроме того, исследования показали (R. K. Shah, Н. С. Shum, А. С. Rowata, D. Lee, J.J. Agresti, A.S. Utada, L.-Y. Chu, J.-W. Kim, A. Fernandez-Nieves, C.J. Martinez, D.A. Weitz, Designer emulsions using microfluidics, Materials today, 2008, V. 11, N. 4, pp. 18-27; S. K. Luther, A. Braeuer, High-pressure microfluidics for the investigation into multi-phase systems using the supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE), The Journal of Supercritical Fluids, 2012, V. 65, pp. 78-86; W. Wang, M.-J. Zhang, L.-Y. Chu, Functional Polymeric Microparticles Engineered from Controllable Microfluidic Emulsions. Accounts of chemical research, 2014, Vol. 47, No. 2, 373-384), что при использовании Y-образного смесителя (и его трехмерных аналогов) мелкие капли (микросферы образуются в результате вытягивания довольно длинной струи с образованием на ее конце утолщения, последующим ростом и отрывом данного утолщения в виде капли. Длина струи до момента ее отрыва зависит от соотношения вязкостей сред и при высокой вязкости дисперсной фазы может достигать 30-60 калибров микроканала до начала отрыва.In addition, studies have shown (RK Shah, H.S. Shum, A.C. Rowata, D. Lee, JJ Agresti, AS Utada, L.-Y. Chu, J.-W. Kim, A. Fernandez-Nieves , CJ Martinez, DA Weitz, Designer emulsions using microfluidics, Materials today, 2008, V. 11, N. 4, pp. 18-27; SK Luther, A. Braeuer, High-pressure microfluidics for the investigation into multi-phase systems using the supercritical fluid extraction of emulsions (SFEE), The Journal of Supercritical Fluids, 2012, V. 65, pp. 78-86; W. Wang, M.-J. Zhang, L.-Y. Chu, Functional Polymeric Microparticles Engineered from Controllable Microfluidic Emulsions. Accounts of chemical research, 2014, Vol. 47, No. 2, 373-384) that when using a Y-shaped mixer (and its three-dimensional analogs), small droplets (microspheres are formed as a result of drawing out a rather long stream with the formation of a thickening at its end, the subsequent growth and separation of this thickening in the form of a drop.The length of the jet before its separation depends on the ratio of the viscosities of the media and at high viscosity of the dispersed phase, it can reach 30-60 calibers of the microchannel before the start of separation.
В (Т. Cubaud, T.G. Mason Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Physics of Fluids 20, 053302 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2911716) показано, что длина струи L0 (м) до начала распада на капли может быть рассчитана по формулеIn (T. Cubaud, TG Mason Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Physics of Fluids 20, 053302 (2008); https://doi.org/10.1063/1.2911716) it is shown that the jet length L 0 (m) up to onset of disintegration into droplets can be calculated by the formula
где С - безразмерный коэффициент, имеющий порядок единицы;where C is a dimensionless coefficient of the order of unity;
μ1 - коэффициент динамической вязкости дисперсной фазы, Па с;μ 1 - coefficient of dynamic viscosity of the dispersed phase, Pa s;
h - внутренний размер канала, м;h — internal channel size, m;
σ - коэффициент межфазного натяжения на границе раздела фаз, Н/м;σ - coefficient of interfacial tension at the interface, N / m;
Q1 - расход дисперсной фазы, м3/с;Q 1 - flow rate of the dispersed phase, m 3 / s;
Q2 - расход сплошной фазы, м3/с;Q 2 - continuous phase flow rate, m 3 / s;
Экспериментально выявлено, что длина струи L0 до ее распада на капли в 30-60 раз превышает ее диаметр. В результате приходится неоправданно увеличивать длину микродиспергатора. На фоне стремления к уменьшению общих размеров устройства в целом, при проведении химической реакции включающего, помимо диспергатора, микрореакторную и сепарационную части, непомерное увеличение длины микродиспергатора приводит к ухудшению его характеристик компактности, как микромасштабного устройства. Более того, при некотором отклонении от предельных расходов, обеспечивающих диспергирование капель, струя может и вовсе не распасться на капли на обозримой длине, приводя к нарушению режима работы всего устройства.It was found experimentally that the length of the jet L 0 before its disintegration into droplets is 30-60 times greater than its diameter. As a result, it is necessary to unnecessarily increase the length of the microdisperser. Against the background of the desire to reduce the overall dimensions of the device as a whole, when carrying out a chemical reaction including, in addition to the dispersant, the microreactor and separation parts, an exorbitant increase in the length of the microdisperser leads to a deterioration in its compactness characteristics as a microscale device. Moreover, with some deviation from the marginal flow rates that ensure the dispersion of drops, the jet may not break up at all into drops over an observable length, leading to a violation of the operating mode of the entire device.
Задача предлагаемого изобретения заключается в формировании в жидкости в микроканалах сферических капель (микросфер) с размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, при снижении потерь давления и энергии, по сравнению с имеющимися аналогами.The objective of the present invention is to form spherical droplets (microspheres) in a liquid in microchannels with sizes distributed in a fairly narrow range, while reducing pressure and energy losses in comparison with existing analogues.
Поставленная задача достигается тем, что в микродиспергаторе для генерирования капель одной жидкости в другой с узким дисперсным составом, включающем корпус в виде канала протяженной формы, присоединенный к корпусу соосно ему патрубок для ввода дисперсной фазы, и присоединенные к боковой поверхности корпуса один или более патрубков для ввода сплошной фазы, согласно изобретению, поперечное сечение корпуса от среза патрубка для ввода дисперсной фазы выполнено периодически изменяющимся, при этом на начальном участке периодической структуры внутренний размер узкой части канала h0 выполнен в соответствии с расчетной формулой:The task is achieved by the fact that in a microdisperser for generating drops of one liquid in another with a narrow dispersed composition, which includes a body in the form of an extended channel, a branch pipe connected to the body coaxially to it for introducing a dispersed phase, and one or more branch pipes connected to the side surface of the body for input of a continuous phase, according to the invention, the cross-section of the body from the cut of the branch pipe for the input of the dispersed phase is made periodically changing, while in the initial section of the periodic structure, the inner size of the narrow part of the channel h 0 is made in accordance with the calculation formula:
где d - средний размер капель, которые необходимо получить в микродиспергаторе, м;where d is the average droplet size to be obtained in the microdisperser, m;
Q1 - расход дисперсной фазы, м3/с;Q 1 - flow rate of the dispersed phase, m 3 / s;
Q2 - расход сплошной фазы, м3/с,Q 2 - continuous phase flow rate, m 3 / s,
при этом пространственный период между соседними волнами в периодически изменяющейся структуре корпуса на начальном участке выполнен в соответствии с расчетной формулой:in this case, the spatial period between adjacent waves in the periodically changing structure of the body in the initial section is made in accordance with the calculation formula:
а на каждом последующем i-м участке корпуса, где i - номер участка (i=1, 2, … k) длина волны λi и ширина hi уменьшаются в 1,17-1,864 раза по отношению к предыдущему участку корпуса таким образом, что на последнем участке периодически изменяющейся структуры корпуса внутренний размер узкой части корпуса hk выполнен в соответствии с расчетной формулой:and on each subsequent i-th section of the hull, where i is the number of the section (i = 1, 2, ... k), the wavelength λ i and width h i decrease by 1.17-1.864 times with respect to the previous section of the hull, thus that in the last section of the periodically changing structure of the body, the inner size of the narrow part of the body h k is made in accordance with the calculation formula:
а пространственный период между соседними волнами на последнем участке корпуса λk выполнен в соответствии с расчетной формулой:and the spatial period between adjacent waves in the last section of the hull λ k is made in accordance with the calculation formula:
причем внутренний размер широкой части на каждом i-м участке канала выполнен в соответствии с расчетной формулой:moreover, the internal size of the wide part at each i-th section of the channel is made in accordance with the calculation formula:
Поставленная задача достигается также тем, что в микродиспергаторе начальный участок корпуса включает от 3 до 6 волн, а каждый последующий - от 2 до 4 волн в периодически изменяющейся структуре корпуса, общее количество участков с периодически изменяющейся структурой - от 2 до 5.The task is also achieved by the fact that in the microdisperser the initial section of the body includes from 3 to 6 waves, and each subsequent section - from 2 to 4 waves in a periodically changing structure of the body, the total number of sections with a periodically changing structure is from 2 to 5.
Предлагаемое устройство может быть выполнено как в планарной (2D), так и в трехмерной (3D) геометрии.The proposed device can be made in both planar (2D) and three-dimensional (3D) geometry.
Заявляемое техническое решение является новым, обладает изобретательским уровнем и промышленно применимо.The claimed technical solution is new, has an inventive step and is industrially applicable.
На фиг. 1 и 2 изображена схема предлагаемого микродиспергатора в нерабочем состоянии (до подачи в него жидкостей): на фиг. 1 - с однократным уменьшением длины волны λi и ширины hi (i=1, 2) на фиг. 2 - с двукратным уменьшением длины волны λi и ширины hi (i=1, 2, 3). На фиг. 3 изображена картина течения двухфазной смести в микродиспергаторе с однократным уменьшением длины волны и ширины (фиг. 1) при подаче в него сплошной и дисперсной фаз: а - начало роста струи дисперсной фазы, ее прохождение через первый участок (момент времени t1); б - стабилизированное состояние - струя начинает распадаться на капли ближе к концу второго участка (момент времени t2 > t1).FIG. 1 and 2 show a diagram of the proposed microdisperser in an inoperative state (before feeding it with liquids): FIG. 1 - with a single decrease in wavelength λ i and width h i (i = 1, 2) in Fig. 2 - with a twofold decrease in the wavelength λ i and the width h i (i = 1, 2, 3). FIG. 3 shows a picture of a two-phase displacement flow in a microdisperser with a single decrease in wavelength and width (Fig. 1) when continuous and dispersed phases are fed into it: a - the beginning of the growth of the dispersed phase jet, its passage through the first section (time t 1 ); b - stabilized state - the jet begins to disintegrate into drops closer to the end of the second section (time t 2 > t 1 ).
На фиг. 1 и 2 изображен предлагаемый микродиспергатор для генерирования капель одной жидкости в другой с узким дисперсным составом, включающий корпус 1 в виде канала протяженной формы, присоединенный к корпусу 1 соосно ему патрубок 2 для ввода дисперсной фазы и присоединенные к боковой поверхности корпуса 1 один или более патрубков 3 для ввода сплошной фазы. При этом поперечное сечение корпуса 1 от среза 4 патрубка 2 для ввода дисперсной фазы выполнено периодически изменяющимся, т.е. представляет собой периодическую структуру в виде волн 5-7, имеющих форму, близкую к синусоидальной.FIG. 1 and 2 depict the proposed microdisperser for generating droplets of one liquid in another with a narrow dispersed composition, including a
За участком канала с периодически изменяющейся геометрией следует участок 8 с постоянным сечением, в котором происходит окончательное формирование сферических капель и их перемещение с потоком сплошной фазы по направлению к емкости-сборнику (на фиг. 1-3 не показана). Форма поперечного сечения патрубка 2 предпочтительно круглая.The section of the channel with periodically changing geometry is followed by
Форма поперечного сечения канала 1 может быть эллиптической (преимущественно круглой) или прямоугольной (в последнем случае - преимущественно квадратной).The cross-sectional shape of
Длина волны λ1 для начального участка периодической структуры корпуса 1 определяется по формуле (2), а на каждом последующем i-м участке корпуса длина волны λi уменьшается в С раз по отношению к длине волны λi-1 предыдущего участка корпуса, т.е.The wavelength λ 1 for the initial section of the periodic structure of the
где С - коэффициент уменьшения, принимаемый в интервале 1,17-1,864 (в соответствии с уравнением (8));where C is the reduction factor taken in the range 1.17-1.864 (in accordance with equation (8));
i - номер участка; i=1, 2, … k;i - section number; i = 1, 2, ... k;
k - номер последнего участка (совпадает с общем количеством участков корпуса с периодически изменяющейся структурой).k - the number of the last section (coincides with the total number of sections of the hull with a periodically changing structure).
Форма волн в общем случае может быть и иной (например, в виде соединенных последовательно конических конфузоров и диффузоров, или цилиндрических участков, имеющих ступенчатые переходы), но исследования показали, что форма, близкая к синусоидальной, обладает оптимальными характеристиками: наиболее быстрым отрывом капель от струи жидкости при минимальном гидравлическом сопротивлении микродиспергатора.The waveform in the general case may be different (for example, in the form of conical confusers and diffusers connected in series, or cylindrical sections with stepped transitions), but studies have shown that a shape close to sinusoidal has optimal characteristics: the fastest separation of drops from liquid jets with a minimum hydraulic resistance of the microdisperser.
На начальном участке периодической структуры внутренний размер (ширина) узкой части канала h1 выполнен в соответствии с расчетной формулой (1), а на каждом последующем i-м участке корпуса ширина hi уменьшается в С раз по отношению к ширине hi-1 предыдущего участка корпуса, т.е.At the initial section of the periodic structure, the internal size (width) of the narrow part of the channel h 1 is made in accordance with the calculated formula (1), and at each subsequent i-th section of the body, the width h i decreases C times in relation to the width h i-1 of the previous section of the body, i.e.
Конкретное значение коэффициента С в формулах (6) и (7) определяется общим количеством k участков с периодически изменяющейся структурой в соответствии с расчетной формулойThe specific value of the coefficient C in formulas (6) and (7) is determined by the total number of k sections with a periodically changing structure in accordance with the calculation formula
где N - отношение размеров начального и конечного участков с периодически изменяющейся структурой, определяемый по формуле:where N is the ratio of the sizes of the initial and final sections with a periodically changing structure, determined by the formula:
С учетом коэффициентов, входящий попарно в формулы (1) и (3), (2) и (4), значение параметра N составляет в среднем N=1,864. Значения коэффициента С, рассчитанные по формуле (8), в зависимости от общего количества k участков корпуса с периодически изменяющейся структурой, представлены в таблице 1.Taking into account the coefficients included in pairs in formulas (1) and (3), (2) and (4), the value of the parameter N is on average N = 1.864. The values of the coefficient C, calculated by the formula (8), depending on the total number k of sections of the body with a periodically changing structure, are presented in Table 1.
Система уравнений (6)-(9) имеет такую структуру, что на последнем участке периодически изменяющейся структуры корпуса значение внутреннего размера узкой части корпуса hk, найденное по формуле (7), совпадает с рассчитанным по формуле (3), а пространственный период между соседними волнами на последнем участке корпуса λk, найденный по формуле (6), совпадает с рассчитанным по формуле (4).The system of equations (6) - (9) has such a structure that in the last section of the periodically changing structure of the body, the value of the inner size of the narrow part of the body h k , found by formula (7), coincides with that calculated by formula (3), and the spatial period between by adjacent waves in the last section of the body λ k , found by formula (6), coincides with that calculated by formula (4).
Внутренний размер Hi широкой части на каждом i-м участке корпуса 1 выполнен в соответствии с расчетной формулой (2). Коэффициент в формуле (2) в интервале 1,5-3,0 определяет оптимальную эффективность работы предлагаемого устройства: При меньших значениях (Hi<1,5 hi) волны оказывают недостаточно сильное воздействие на струю дисперсной фазы. При больших значениях (Hi>3,0 hi) в широких частях (углублениях) канала 1 возникают застойные зоны с вторичными токами, что приводит к снижению эффективности устройства.The inner dimension H i of the wide part on each i-th section of the
Исследования показали, что для начального участка корпуса 1 достаточно от 3 до 6 волн, поскольку при количестве волн больше 6 возрастают потери давления, а при числе волн меньше 3 не достигается значительный эффект первичного деформирования струи. Для последующих участков, по результатам экспериментов, оптимальным оказалось число волн от 2 до 4. Общее количество участков с периодически изменяющейся структурой, согласно проведенным исследованиям - от 2 до 5 (количество зависит от свойств сред - вязкости, плотности и межфазного натяжения). При количестве участков меньше 2 существенно снижается эффект от повторяющегося импульсного воздействия на струю дисперсной фазы, при их количестве, превышающем 5, затраты энергии на подачу сред существенно возрастают.Studies have shown that for the initial section of
На фиг. 3 показана схема микродиспергатора в рабочем состоянии и картина течения двухфазной смести при подаче в него сплошной (с расходом Q2) и дисперсной (с расходом Q1) фаз.FIG. 3 shows a diagram of a microdisperser in working condition and a picture of a two-phase displacement flow when continuous (with a flow rate Q 2 ) and dispersed (with a flow rate Q 1 ) phases are fed into it.
ПРИМЕР 1. Генерирование микросфер в предлагаемом устройстве с двумя участками с периодически изменяющейся структурой с оптимальными параметрами.EXAMPLE 1. Generation of microspheres in the proposed device with two sections with a periodically changing structure with optimal parameters.
Корпус микродиспергатора изготовлен из латуни, с крышкой из минерального стекла согласно схеме, показанной на фиг. 1, т.е. имеет два участка с периодически изменяющейся структурой - 5 и 6. Для стабилизации сгенерированных капель в сплошной фазе было предварительно растворено необходимое количество поверхностно-активного вещества - додецилсульфата натрия.The microdisperser body is made of brass, with a mineral glass lid according to the diagram shown in FIG. 1, i.e. has two sections with a periodically changing structure - 5 and 6. To stabilize the generated drops in the continuous phase, the required amount of surfactant - sodium dodecyl sulfate was previously dissolved.
При подаче сплошной фазы (воды) и дисперсной фаз (циклогексана) в патрубки 3 и 2 микродиспергатора соответственно с расходами Q2=16 мл/мин и Q1=2 мл/мин из патрубка 2 в канал корпуса 1 вытекает дисперсная фаза в виде струи 9. Корпус 1 выполнен с размерами, в соответствии с формулами (1)-(5):When the continuous phase (water) and dispersed phases (cyclohexane) are fed into the
- внутренний размер h1 узкой части корпуса 1 на начальном участке 5 выполнен равным 0,119 мм (в интервале от 0,112 до 0,127 мм, согласно формуле (1));- the inner dimension h 1 of the narrow part of the
- внутренний размер hk узкой части корпуса 1 на последнем участке 6 выполнен равным 0,064 мм (в интервале от 0,060 до 0,068 мм, согласно формуле (3));- the inner size h k of the narrow part of the
- внутренний размер Н1 широкой части корпуса 1 на начальном участке 5 выполнен равным 0,268 мм (в интервале от 0,179 до 0,358 мм, согласно формуле (5));- the inner dimension H 1 of the wide part of the
- внутренний размер Hk широкой части корпуса 1 на последнем участке 6 выполнен равным 0,144 мм (в интервале от 0,096 до 0,192 мм, согласно формуле (5));- the inner dimension H k of the wide part of the
- пространственный период между λ1 соседними волнами в периодически изменяющейся структуре корпуса 1 на начальном участке 5 выполнен равным 0,550 мм (в интервале от 0,500 до 0,600 мм, согласно формуле (2));- the spatial period between λ 1 adjacent waves in the periodically changing structure of the
- пространственный период между λk соседними волнами в периодически изменяющейся структуре корпуса 1 на последнем участке 6 выполнен равным 0,280 мм (в интервале от 0,270 до 0,290 мм, согласно формуле (4)).- the spatial period between λ k adjacent waves in the periodically changing structure of the
На поверхности струи 9 образуются капиллярные волны с зонами расширения 10 и сужения 11, на конечном участке от струи 9 отрываются капли 12 с требуемым размером d.On the surface of the
Аналогичные опыты были проведены на нижнем и верхнем пределах интервалов коэффициентов, указанных в формулах (1)-(5).Similar experiments were carried out on the lower and upper limits of the intervals of the coefficients indicated in formulas (1) - (5).
Измерения, выполненные по микрофотографиям устройства с потоком, показали, что длина струи до момента распада на капли составила в среднем L1=2,49 мм, а диаметр струи был равен dc1=0,017 мм.Measurements performed using micrographs of the device with a flow showed that the length of the jet before the moment of disintegration into droplets was on average L 1 = 2.49 mm, and the diameter of the jet was d c1 = 0.017 mm.
При этом потери давления в предлагаемом устройстве оказались в 3,24 раза ниже, чем в микродиспергаторе, имевшем постоянные по всей длине характеристики периодически изменяющейся структуры h, Н и λ, соответствующие значениям на последнем участке 6 корпуса 1 предлагаемого устройства (hk, Hk, λk).At the same time, the pressure loss in the proposed device turned out to be 3.24 times lower than in the microdisperser, which had constant characteristics of the periodically changing structure h, H and λ along the entire length, corresponding to the values in the
Потери давления в предлагаемом устройстве оказались в 6,4 раза ниже, чем в микродиспергаторе, имевшем постоянное поперечное сечение, равное hk.The pressure loss in the proposed device turned out to be 6.4 times lower than in the microdisperser, which had a constant cross-section equal to h k .
Анализ микрофотографий капель (объем выборки в каждом опыте составлял 600-800 капель) оказался в интервале от 47,1 до 53,1 мкм, со средним значением диаметра микросфер d=50,1 мкм и средним квадратическим отклонением S=1,0 мкм; коэффициент вариации размеров капель (микросфер) при этом составил V=S/d=0,02. Между сгенерированными соседними каплями создается равное расстояние, примерно равное их диаметру, и они движутся в потоке сплошной среды без столкновения и последующей коалесценции.Analysis of micrographs of drops (the sample size in each experiment was 600-800 drops) was in the range from 47.1 to 53.1 µm, with an average value of the diameter of microspheres d = 50.1 µm and a standard deviation S = 1.0 µm; the coefficient of variation of the droplet (microsphere) size was V = S / d = 0.02. An equal distance is created between the generated adjacent droplets, approximately equal to their diameter, and they move in the flow of a continuous medium without collision and subsequent coalescence.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет формировать сферические капли (микросферы) с размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, со значительно меньшими потерями давления и энергетическими затратами по сравнению с аналогичными устройствами, имеющими с постоянное поперечное сечение, либо переменное сечение, но с постоянными характеристиками периодически изменяющейся структуры h, H и λ.Thus, the proposed device allows the formation of spherical droplets (microspheres) with sizes distributed in a rather narrow range, with significantly lower pressure losses and energy costs compared to similar devices with a constant cross section, or variable cross section, but with constant characteristics periodically changing structure of h, H and λ.
Аналогичные результаты были получены при диспергировании капель стирола в водный раствор NaCl в предлагаемом устройстве, представленном на фиг. 2.Similar results were obtained by dispersing styrene droplets into an aqueous solution of NaCl in the proposed device shown in FIG. 2.
ПРИМЕР 2. Генерирование микросфер в предлагаемом устройстве с тремя участками с периодически изменяющейся структурой с оптимальными параметрами.EXAMPLE 2. Generation of microspheres in the proposed device with three regions with a periodically changing structure with optimal parameters.
В предлагаемом устройстве с тремя участками периодической структуры корпуса 1, изображенном на фиг. 2, были получены аналогичные результаты.In the proposed device with three sections of the periodic structure of the
При этом предлагаемое устройство имело следующие размеры, определенные по формулам (1)-(5):In this case, the proposed device had the following dimensions, determined by formulas (1) - (5):
h1=0,119 мм; h2=0,087 мм; hk=0,064 мм;h 1 = 0.119 mm; h 2 = 0.087 mm; h k = 0.064 mm;
H1=0,268 мм; H2=0,197 мм; Hk=0,144 мм;H 1 = 0.268 mm; H 2 = 0.197 mm; H k = 0.144 mm;
λ1=0,550 мм; λ2=0,403 мм; λk=0,280 мм.λ 1 = 0.550 mm; λ 2 = 0.403 mm; λ k = 0.280 mm.
При этом потери давления в предлагаемом устройстве оказались в 4,53 раза ниже, чем в микродиспергаторе, имевшем постоянные по всей длине характеристики периодически изменяющейся структуры h, Н и λ, соответствующие значениям на последнем участке 6 корпуса 1 предлагаемого устройства (hk, Hk, λk), и в 8,6 раз ниже, чем в микродиспергаторе, имевшем постоянное поперечное сечение, равное hk.At the same time, the pressure loss in the proposed device turned out to be 4.53 times lower than in the microdisperser, which had constant characteristics of the periodically changing structure h, H and λ along the entire length, corresponding to the values in the
Средний диаметр микросфер составил d=48,2 мкм и средним квадратическим отклонением S=1,0 мкм; коэффициент вариации размеров капель (микросфер) при этом равен V=S/d=0,02.The average diameter of the microspheres was d = 48.2 μm and the standard deviation S = 1.0 μm; the coefficient of variation of the droplet (microsphere) size is equal to V = S / d = 0.02.
ПРИМЕР 3. Генерирование микросфер в предлагаемом устройстве с неоптимальными параметрами.EXAMPLE 3. Generation of microspheres in the proposed device with non-optimal parameters.
Исследования процесса генерирования микросфер проводились в устройстве, описанном в Примерах 1 и 2, по той же методике. Отличие заключалось в том, что внутренние размеры h узкой части, внутренние размеры Н широкой части канала, пространственные периоды λ между соседними волнами выполнялись за пределами интервалов, указанных в расчетных формулах (1)-(5).Investigations into the microsphere generation process were carried out in the apparatus described in Examples 1 and 2 using the same procedure. The difference was that the internal dimensions h of the narrow part, the internal dimensions H of the wide part of the channel, and the spatial periods λ between adjacent waves were performed outside the intervals indicated in the calculation formulas (1) - (5).
Эксперименты показали, что во всех случаях происходит ухудшение стабильности размеров капель (микросфер), коэффициент вариации существенно возрастает и достигает значений V=0,06-0,08, а потери давления возрастают в 1,3-2,1 раза по сравнению с оптимальными условиями, указанными в примерах 1 и 2.Experiments have shown that in all cases there is a deterioration in the stability of the droplet (microsphere) size, the coefficient of variation increases significantly and reaches values V = 0.06-0.08, and the pressure loss increases 1.3-2.1 times compared with the optimal conditions specified in examples 1 and 2.
Таким образом, коэффициенты, указанные в расчетных формулах (1)-(5), базируются на результатах экспериментальных исследований, и характеризуют оптимальные значения размеров корпуса 1.Thus, the coefficients indicated in the calculation formulas (1) - (5) are based on the results of experimental studies, and characterize the optimal values of the dimensions of the
При увеличении числа волн в периодически изменяющейся структуре корпуса более 6 происходило чрезмерное возрастание гидравлического сопротивления устройства, без улучшения эффекта.With an increase in the number of waves in the periodically changing structure of the body more than 6, an excessive increase in the hydraulic resistance of the device occurred, without an improvement in the effect.
При уменьшении числа волн в периодически изменяющейся структуре корпуса менее 3 эффект диспергирования был недостаточно высоким, наблюдался повышенный разброс размеров капель по сравнению с числом волн от 3 до 6. При увеличении количества участков с периодически изменяющейся структурой более 5 также существенно возрастало гидравлическое сопротивление без улучшения качества микросфер.With a decrease in the number of waves in the periodically changing structure of the body less than 3, the dispersion effect was not high enough, there was an increased scatter of droplet sizes compared to the number of waves from 3 to 6. With an increase in the number of sections with a periodically changing structure more than 5, the hydraulic resistance also significantly increased without improving the quality microspheres.
Базовый вариант иллюстрируется следующим примеромThe basic version is illustrated by the following example
ПРИМЕР 4. Генерирование микросфер в устройстве-прототипе.EXAMPLE 4. Generation of microspheres in a prototype device.
Генерирование микросфер осуществлялась (Т. Cubaud, T.G. Mason Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Physics of Fluids 20, 053302 (2008)) при тех же условиях, что и в Примерах 1 и 2, но в микродиспергаторе, имевшем постоянное поперечное сечение, равное hk=0,064 мм. Анализ двухфазного течения и полученных микросфер осуществлялся теми же методами.Generation of microspheres was carried out (T. Cubaud, TG Mason Capillary threads and viscous droplets in square microchannels. Physics of Fluids 20, 053302 (2008)) under the same conditions as in Examples 1 and 2, but in a microdisperser having a constant cross-section equal to h k = 0.064 mm. The analysis of the two-phase flow and the obtained microspheres was carried out by the same methods.
Измерения показали, что длина струи до момента распада на капли составила L0=17,7 мм при диаметре струи dc0=0,017 мм. При этом гидравлическое сопротивление известного устройства оказалось в 6,4 и в 8,6 раза выше, чем для предлагаемого устройства, описанного в примерах 1 и 2 соответственно.The measurements showed that the length of the jet before the moment of disintegration into droplets was L 0 = 17.7 mm with the jet diameter d c0 = 0.017 mm. In this case, the hydraulic resistance of the known device turned out to be 6.4 and 8.6 times higher than for the proposed device described in examples 1 and 2, respectively.
Анализ микрофотографий капель (объем выборки в каждом опыте составлял 600-800 капель) оказался в интервале от 32,2 до 69,5 мкм, со средним значением диаметра микросфер d=50,9 мкм и средним квадратическим отклонением S=6,2 мкм; коэффициент вариации размеров капель (микросфер) при этом составил V=S/d=0,122, что существенно выше, чем в предлагаемом устройстве, даже при его работе в неоптимальных режимах.Analysis of micrographs of drops (the sample size in each experiment was 600-800 drops) was in the range from 32.2 to 69.5 microns, with the average value of the diameter of the microspheres d = 50.9 microns and the standard deviation S = 6.2 microns; the coefficient of variation of the droplet (microsphere) sizes was V = S / d = 0.122, which is significantly higher than in the proposed device, even when it is operating in non-optimal modes.
Расстояние между сгенерированными соседними каплями создается равное, варьируется в пределах от 0,2 d до 1,3 d, они часто сталкиваются, что приводит к их последующей коалесценции.The distance between the generated adjacent droplets is created equal, varies from 0.2 d to 1.3 d, they often collide, which leads to their subsequent coalescence.
Таким образом, предлагаемое устройство позволяет сгенерировать в микроканалах сферические капли (микросферы) с размерами, распределенными в достаточно узком диапазоне, а также обеспечить равного расстояния между соседними каплями, что позволит предотвратить их столкновение и последующую коалесценцию. При вариации размеров канала в пределах, указанных в расчетных формулах (1)-(5), сохраняются стабильно узкое распределение размера капель и расстояния между ними, при снижении потерь давления и энергии, по сравнению с имеющимися аналогами.Thus, the proposed device makes it possible to generate spherical drops (microspheres) in microchannels with sizes distributed in a rather narrow range, as well as to provide an equal distance between adjacent drops, which will prevent their collision and subsequent coalescence. When the channel dimensions vary within the limits indicated in the calculation formulas (1) - (5), a stably narrow distribution of the droplet size and distance between them remains, with a decrease in pressure and energy losses in comparison with the available analogs.
Claims (14)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019132388A RU2732142C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019132388A RU2732142C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2732142C1 true RU2732142C1 (en) | 2020-09-11 |
Family
ID=72516392
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019132388A RU2732142C1 (en) | 2019-10-11 | 2019-10-11 | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2732142C1 (en) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2150335C1 (en) * | 1999-06-08 | 2000-06-10 | Сибирский химический комбинат | Method of forming monodispersed flow of drops from liquid jet |
RU2174060C1 (en) * | 2000-07-28 | 2001-09-27 | Московский энергетический институт (Технический университет) | Method for producing monodisperse spherical pellets |
US6632414B2 (en) * | 2001-03-30 | 2003-10-14 | Corning Incorporated | Mini-structured catalyst beds for three-phase chemical processing |
RU2264847C2 (en) * | 2004-02-03 | 2005-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of intensification of the reactive and mass-exchange processes in the heterogeneous systems and the apparatus for its realization |
RU2306975C2 (en) * | 2005-07-20 | 2007-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent |
-
2019
- 2019-10-11 RU RU2019132388A patent/RU2732142C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2150335C1 (en) * | 1999-06-08 | 2000-06-10 | Сибирский химический комбинат | Method of forming monodispersed flow of drops from liquid jet |
RU2174060C1 (en) * | 2000-07-28 | 2001-09-27 | Московский энергетический институт (Технический университет) | Method for producing monodisperse spherical pellets |
US6632414B2 (en) * | 2001-03-30 | 2003-10-14 | Corning Incorporated | Mini-structured catalyst beds for three-phase chemical processing |
RU2264847C2 (en) * | 2004-02-03 | 2005-11-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of intensification of the reactive and mass-exchange processes in the heterogeneous systems and the apparatus for its realization |
RU2306975C2 (en) * | 2005-07-20 | 2007-09-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)" | Method of intensifying reaction and mass exchange in heterogeneous agent |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
UENO M., HISAMOTO H., KITAMORI T., KOBAYASHI S. PHASE-TRANSFER ALKYLATIONREACTIONS USING MICROREACTORS/CHEM.COMMUN., 2003, pp. 936-937. * |
UENO M., HISAMOTO H., KITAMORI T., KOBAYASHI S. PHASE-TRANSFER ALKYLATIONREACTIONS USING MICROREACTORS/CHEM.COMMUN., 2003, pp. 936-937; WEGMAN A., VON ROHR P.R. TWO PHASE LIQUID-LIQUID FLOWS IN PIPES OF SMALL DIAMETERS//INTERNATIONAL JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW, V.32, 2006, pp. 1017-1028. * |
WEGMAN A., VON ROHR P.R. TWO PHASE LIQUID-LIQUID FLOWS IN PIPES OF SMALL DIAMETERS//INTERNATIONAL JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW, V.32, 2006, pp. 1017-1028. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fu et al. | Bubble formation and breakup dynamics in microfluidic devices: A review | |
Rebrov | Two-phase flow regimes in microchannels | |
Christopher et al. | Microfluidic methods for generating continuous droplet streams | |
Fu et al. | Flow patterns of liquid–liquid two-phase flow in non-Newtonian fluids in rectangular microchannels | |
Chen et al. | Gas-liquid-liquid multiphase flow in microfluidic systems–A review | |
Wang et al. | Generating gas/liquid/liquid three-phase microdispersed systems in double T-junctions microfluidic device | |
Wang et al. | Experimental study of liquid/liquid second-dispersion process in constrictive microchannels | |
Dang et al. | Formation characteristics of Taylor bubbles in a microchannel with a converging shape mixing junction | |
EP2719452A1 (en) | Method and apparatus for physical or chemical processes | |
Lin et al. | Dynamics of bubble formation in highly viscous liquid in co-flowing microfluidic device | |
Yu et al. | Experiment and prediction of droplet formation in microfluidic cross-junctions with different bifurcation angles | |
JP2011147932A (en) | Fluid-mixing device | |
Zhang et al. | Bubble formation in a step-emulsification microdevice with parallel microchannels | |
Liu et al. | Effects on droplet generation in step-emulsification microfluidic devices | |
RU2718617C1 (en) | Microdispersant for droplets generation | |
Arias | Comparison of two gas injection methods for generating bubbles in a T-junction | |
Wang et al. | Droplet generation in micro-sieve dispersion device | |
Sheng et al. | Mechanism and modeling of Taylor bubble generation in viscous liquids via the vertical squeezing route | |
RU2732142C1 (en) | Micro-disperser with periodic structure with variable pitch for generation of drops | |
Palogan et al. | Effect of surface coating on droplet generation in flow-focusing microchannels | |
Pennemann et al. | Micromixer based liquid/liquid dispersion | |
Hao et al. | Dynamics and controllability of droplet fusion under gas–liquid–liquid three-phase flow in a microfluidic reactor | |
Chen et al. | Regulation and scaling law of gas-liquid-liquid three-phase flow in a dual-coaxial microchannel | |
RU2614283C1 (en) | Device for dispersing droplets or bubbles in liquid in micro-channels and method for operation thereof | |
Sheng et al. | Hydrodynamics of gas-liquid microfluidics: A review |