研究：三类微混合器内的混合性能以及引入气相强化后混合性能的对比

前几期，我们介绍了清华大学化学工程系骆广生教授研究团队针对气相强化微混合性能进行的较系统的研究成果。大家可以关注我们公众号，了解更多往期内容。

骆教授研究团队对比了T 形（T-junction）微混合器、十字形（cross-junction）微混合器和同轴环管（co-fl ow）微混合器，三类微混合器内的混合性能以及引入气相强化后的混合性能，结果都表明对称式的十字形及同轴环管微通道结构比非对称式的T形微通道结构更有优势。

图：1　十字形微混合器内引入气相后液柱长度的变化。（a）不同黏度下液柱长度

随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下液柱长度随气 / 液相比Rgas 的变化

图1显示的是十字形微混合器内液柱长度的变化情况，仅从液柱长度的数值上看，十字形并不比T形通道内的液柱长度短，甚至在较高流量比的情况下，T形通道的液柱长度更短。那么为何十字形通道的气相强化混合效果更理想呢？

图2：非对称式与对称式结构微混合器内混合效果差异的机理解释

（µ = 16.5 mPa·s，Q A = 1mL/min，Q B = 0.2mL/min）。（a）非对称式 -T 形结构；

（b）对称式 - 十字形结构；（a3）和（b3）中Q gas= 0.5mL/min

答案是，对称式结构的内循环流动对两股流体的混合效用更高。图2（a1）与（b1）分别是非对称式的T形通道与对称式的十字形通道的荧光示踪照片，尽管十字形通道内的小流股看上去更薄，但是处于通道中心的位置使得它能够同时参与两侧的内循环图［图2（b2）］，并且通道中心区域的流速较大，小流股在内循环中的运动速度也更高。相比而言，T形通道内［图2（a2）］，小流股紧贴壁面的流动不仅浪费了一侧的内循环，并且这部分流体尽管参与了内循环流动，但壁面附近的低流速一定程度上影响了这部分分子的移动速度。

因而，十字形通道能够在短时间内令整个通道内的流体混合均匀，而T形通道则呈现出两侧各自均匀但是浓度不同的现象，正如图2（a3）与（b3）对比的结果。

图3：对称式与非对称式通道内引入气相强化混合的比较。（a）不同黏度下X S

随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下X S 随气 / 液相比Rgas 的变化

通过比较图3中“Villermaux/Dushman”平行竞争反应的结果，可以看到，对于不同黏度下的混合［图3（a）］，对称式的十字形通道下的XS尽管比非对称式的T形通道稍低，但二者在R=5的情况下差距并不大。

但在提高混合流量比之后，如图3（b），十字形通道体现出非常明显的优势，在R=25的情况下，XS几乎只有T形通道内1/10的量级。这些都表明了，对称式结构的微混合器在解决大流量比带来的混合难题上是一种有效的手段。

图4：同轴环管微混合器内引入气相后液柱长度的变化。（a）不同黏度下液柱

长度随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下液柱长度随气 / 液相比Rgas 的变化

而同轴环管微混合器中的液柱长度，如图4所示，与十字形微混合器相比略长一些，这是由不同混合交叉点结构对气/液分散的影响造成。但是这一液柱长度变化的重要性并不如对称式结构在大混合流量比的混合中发挥的作用，所以从定量的表征结果看来二者结果相当。但是如果考虑到通道结构的简洁性，十字形通道在实际应用中将被优先考虑。

根据上述对高黏体系、大流量比液 / 液均相混合及气相强化规律的研究可知，液 / 液混合过程与气相引入强化液 / 液混合过程的流型及其混合性能是不同的，下期，我们将分享其建立各自的数学模型。

参考资料：

[1] 骆广生，吕阳成，王凯，张吉松等，《微化工技术》化学工业出版社。

欧世盛整体解决方案

全自动微反应连续加氢

解决方案 设备构成 反应类型 加料系统

硝基还原、氢化去硫反应

气路控制

单元

烯烃和炔烃的还原反应

温度控制

单元

N-、O-去苄基化反应

反应单元

脱卤反应

压力控制

单元

羰基化反应

氢气气源

单元

腈类化合物还原反应

样品采集

单元

吡啶芳香环衍生物还原反应

流动化学

管理系统

H-Flow管理软件

亚胺还原反应

微反应器能解决哪些问题

液液均相反应器

反应类型

硝化反应、磺化反应、锂化反应、格式反应、取代反应、高温关环反应……

液液非均相反应器

反应类型

中和反应、氧化反应……

气液反应器

反应类型

氧化反应（O2）、钯催化的Heck 羰基化反应（CO）CO2气体参与的反应……

光化学反应器

反应类型

芳环或杂环的三氟甲基化反应、烯烃加成反应、自由基反应……

拓展功能

设 备

气液分离单元

在线检测单元

高压气液分离器

S-FLOW-S30 液液分离仪

在线UV-Vis检测器

欧世盛科技提供完整的微反应流动化学实验室整体解决方案

作为一家微反应流动化学整体解决方案供应商。核心设计团队经过近20年的技术积累，依据微反应实验流程中的使用习惯和痛点需求做了深入研究，经过多年的研发投入，根据合成的分类和流动化学的特点，已将微反应合成常见的液液合成、气液固合成等相关设备商用上市，

其中，液液合成设备所需的供料模块、反应模块、控制监控模块、检测模块、收集模块和管理软件工作站模块等六个模块几十种成熟产品供选。

中国首家

FLOWLAB智造商

网址 | www.osskj.com

电话 | 010—82439598