微通道過程強化實驗裝置研制與實踐

王 瑤, 王 剛, 匡國柱, 任鄭玲

(大連理工大學 化工與環境生命學部, 遼寧 大連 116024)

微通道過程強化實驗裝置研制與實踐

王 瑤, 王 剛, 匡國柱, 任鄭玲

(大連理工大學 化工與環境生命學部, 遼寧 大連 116024)

為適應新的工程教育培養目標,自主研制開發了微通道過程強化實驗裝置,并將該裝置應用于教學實踐。該實驗裝置包括微通道混合器和微通道換熱器,可進行強化傳質、傳熱的相關研究,具有流程可設計性、研究內容多樣性的特點,適用于化工類本科生研究型實驗教學。實驗教學實踐表明,該裝置豐富了實驗教學內容,有助于培養學生的創新意識和實踐能力、提高學生的科研素質。

實驗裝置； 微通道； 研究型實驗教學

混合和傳熱是化工過程中非常重要的單元操作,廣泛應用于化工生產、石油煉制等領域。微通道混合器(換熱器)是指流體流動通道特征尺度在數百微米范圍的混合器(換熱器)。微通道內,流體以微米級厚度進行流動,由于特征尺度的微型,表(界)面作用增強,傳遞作用較常規尺度的設備提高了2～3個數量級[1-2]。將微型化的化工設備應用到化學工程領域,在微觀混合效率、傳質、傳熱等方面表現出明顯優勢,使得微化工設備從一興起就受到關注,世界上很多高校和公司都在這方面展開了相關的研究工作[3-7]。

隨著科技和高等教育的發展,對人才的創新能力、應用能力和實際工程能力提出了更高的要求,因此,培養具有創新意識和創新能力的綜合型人才成為高校本科教育新的目標[8-9]。為適應這一培養目標的要求,國內各高校相繼開展了培養大學生創新意識和實踐能力的實踐教學改革[10-14]。本文以強化傳熱和傳質為出發點,自主設計、開發了包括微通道換熱器和微通道混合器的微通道過程強化研究型實驗裝置。通過該實驗可以讓學生了解學科發展的前沿,并培養學生的實踐能力和創新能力。

1 實驗裝置及特點

1.1 實驗裝置

微通道過程強化實驗裝置包括微通道混合器和微通道換熱器兩部分,分別進行強化傳質和強化傳熱的實驗研究。

(1) 微通道混合器實驗裝置。微通道混合器可實現液-液的高效混合,也可用于混合控制的傳質過程和強放熱反應,實驗裝置見圖1。與微混合器配套的設備包括微量進料泵(圖中為平流泵)、恒溫水浴、壓力和溫度測控裝置。

圖1 微通道混合器實驗裝置

待混合的兩股物流經微量進料泵輸送至微混合器內,在混合器內混合后進入延時管,微混合器和延時管均置于恒溫水浴中,離開延時管的混合物(或反應產品)經背壓閥流出得到混合產物。該裝置可在常壓下操作,也可加壓操作,混合或反應溫度可用恒溫水浴控制。裝置的核心部件是CPMM-R300微混合器,其外觀和混合芯片如圖2所示。

(2) 微通道換熱器實驗裝置。微通道換熱器實驗裝置可進行液-液換熱研究,實驗裝置見圖3。用平流泵將一冷物流輸送至微換熱器中,另一物流則用平流泵輸送至一加熱器,在加熱器中被加熱至指定溫度后進入微換熱器,冷、熱物流在微換熱器中換熱。用溫度傳感器檢測熱物流進出口溫度(T1,T2)和冷物流的進出口溫度(t1,t2)，在冷、熱物流的進出口間分別設置壓力差傳感器來測定熱、冷流體側的壓力差。裝置中的微通道換熱器為HX-204型微換熱器,其外觀和換熱芯片如圖4所示。

圖2 CPMM-R300微混合器的外觀和混合芯片

圖3 微通道換熱器實驗流程圖

圖4 HX-204微換熱器的外觀和換熱芯片

1.2 裝置特點

為學生營造自主學習、自由創造的環境,培養學生的創新意識和實踐能力,為此裝置在設計和開發過程中,注重裝置的多功能性、適應性和靈活性。所開發的實驗裝置特點為:

(1) 裝置的多功能性。該裝置可進行與微通道內傳熱、傳質相關的研究實驗，既可進行微通道內傳熱或傳質的理論研究,亦可在微通道裝置上進行產品合成和過程參數考察。比如在微混合器實驗裝置上可進行混合性能研究,亦可進行離子液、乳液合成,固體納米材料制備,反應動力學研究以及一些強放熱反應過程參數考察。

(2) 學生可自由選擇要研究的傳熱或傳質過程,并根據所研究過程特點,自行組織流程。設備之間的連結簡單,容易操作,不需要特別的加工,學生在實驗室可自行連接。

(3) 設備操作條件易于調節、控制。如微混合實驗過程中待混合物流的流量用進料泵控制、混合溫度由水浴溫度調節、反應停留時間用不同管徑和長度的延時管控制,而操作壓力可用背壓閥方便地調節。

2 教學實踐

2.1 實驗研究

裝置建成后,先后在該裝置上進行了納米氧化鋅和納米氧化亞銅合成的研究?？疾炝撕铣蓷l件對產品的影響,并將微通道合成得到的產品與常規方法合成得到的產品進行對比,結果顯示兩種合成方法所得產品的粒徑和粒徑分布相差較大。圖5為釜式反應器和微通道反應器合成的ZnO粒度分布圖。由圖5可見,與釜式反應器相比,在微通道反應器中合成的氧化鋅平均晶粒小,粒徑分布窄。類似地,圖6為采用釜式反應器和微通道反應器合成出的Cu2O樣品的SEM圖。從圖6可見,微通道反應器合成出的Cu2O顆粒粒徑小于釜式反應器合成出的Cu2O顆粒。

圖6 釜式反應器和微通道反應器合成的Cu2O的SEM圖

2.2 教學模式

研究型實驗教學以問題為中心,以創新能力培養為目標,實驗內容更加深入。因此,我們在教學實踐中,將課內實驗教學與學生課外自主學習相結合,注重指導教師的引導作用,開展不同層次的實驗教學。

(1) 注重教師引導,逐步培養學生的創新和工程實踐能力。在微通道過程強化實驗教學中,為激發學生自主研究的愿望,在學生已掌握常規的傳熱傳質理論基礎上,向學生介紹微通道設備在強化傳熱、傳質方面的優勢,并用圖片展示其在科學研究、生產應用方面的實例,激起學生的好奇心和探索欲望。然后,根據學生已有的基本知識,提出一些他們通過查閱文獻和分析能夠回答的問題,如:①微通道混合器概念是什么？與常規混合過程相比,微通道混合器具有什么樣的特點？②混合性能測定方法有哪些？根據實驗室現有的條件,選用哪種測定方法比較合適？③哪些參數會影響到混合器的混合性能？怎樣考察這些參數的影響？這種提出問題、解答問題的形式在學生剛開始做研究型實驗中尤其重要。因為學生在初次接觸研究型實驗時,由于理論知識不足,在大量的文獻面前很容易感到茫然,不知道從何著手。因此恰當的問題會使學生查閱文獻的目標更具體。

學生有了一定的理論基礎之后,開始進行基本實驗技能的訓練,學習了解流量、溫度的測定采用什么儀表,儀表的安裝、校正要注意哪些問題等；采用紫外分光光度計測量混合物濃度時,如何獲得標準曲線,儀器的使用應注意哪些問題；實驗裝置的搭建應注意哪些問題,實驗中出現異常情況時如何正確處理。

學生掌握了相關的基本實驗技能之后,學生自己根據所要研究過程的特點,組織實驗流程,進行實驗。獲得實驗數據后,指導教師和學生一起對得到的實驗數據進行分析,討論這些數據能夠說明哪些問題,可以得到什么樣的結論,要得到這樣的結論還需要設計什么樣的實驗來支持、驗證等。 在討論過程中,培養學生分析判斷、邏輯推理、根據實驗結果得出實驗結論的能力等,進而達到創新能力的培養。

(2) 以學生為主,開展不同層次的實驗教學。由于學生的個人興趣、能力、要求、投入時間各有不同,為此,我們采用不同的教學形式,并根據學生投入時間的長短,設計研究內容。對那些學有余力,且有熱情參與創新訓練項目的學生,設計相對多的研究內容。對于時間有限的學生,可以幾個學生組成一個小組,分工協作,完成一個實驗內容相對完整的研究項目。對于個別學生,可以只設計完成一次實驗。例如,對參加創新訓練項目的學生,實驗內容為研究微混合器內合成納米顆粒,并考察各操作參數對產品性能的影響。對有4～5周左右進行研究的學生,實驗內容為研究過程參數,如流量、溫度、濃度對微混合器混合性能的影響。對投入時間更有限的學生,只安排一次混合性能測定實驗,同時測定相同條件下普通攪拌釜式反應器的混合性能,并與微混合器的混合效果進行對比分析。

實驗教學形式上的靈活性,滿足了不同層次學生參與研究型實驗的要求。不同層次的實驗教學都是真正基于學生興趣、學生自主學習、獨立思考的過程，有利于開拓學生視野,提高學生科學思維能力,獨立分析及解決問題的能力。

2.3 教學實踐效果

經過2年的教學實踐表明,所開發的實驗裝置適用于化工類本科生的研究型實驗教學,對培養學生的實踐能力和創新意識大有裨益。

(1) 實驗裝置具有可設計性、教學內容具有研究性。與傳統的驗證型或綜合型實驗裝置不同,在所開發的實驗裝置上,學生可根據研究體系的過程特點,自行組織流程、聯接設備進行實驗,裝置具有可設計性。且由于微通道混合器和微通道換熱器的實驗研究是在學生已有相關知識基礎上的提高,故學生可以利用這些實驗裝置,在查閱相關文獻后設計他們自己感興趣的實驗內容,而不必拘泥于教師的科研內容。在這一過程中,充分調動了學生自主學習的積極性,使他們的實踐能力得到提高。

(2) 將理論研究與流程設計和實際操作有機結合,使學生得到系統的訓練。利用該實驗裝置進行研究型實驗教學過程中,將理論研究、流程設計和實際操作有機地結合了起來,拓展了課堂教學所包括的理論知識,同時強化了學生綜合運用專業知識的實踐力度,使學生得到系統的、全方位的訓練。該訓練有助于引導學生深入科學研究和強化工程實踐,對他們創業能力培養具有重要的潛移默化作用。

(3) 學生反饋。該實驗裝置經設計、安裝、調試,于2012年7月向學生開放。兩年來已有多名本科生在該裝置上進行了相關的實驗操作和研究。這些學生認為,通過該實驗,拓展了知識面,思考問題更加深入、全面。該實驗過程將所學知識綜合應用,提高了學生的動手能力和分析、解決工程問題的能力,使學生受益匪淺。該訓練將對學生未來的工作有很大幫助。

3 結束語

本文研制的微通道過程強化實驗裝置的實驗具有可設計性、內容的靈活性和多樣性,適用于化工類本科生的研究型實驗。學生經過查閱相關文獻后提出研究方案、自行組裝實驗裝置、實驗操作、實驗結果分析、撰寫實驗報告。整個過程中,指導教師只是起著引導作用,這種教師與學生合作的研究型教學,徹底擺脫了傳統教學模式下學生被動接受知識的局面,有助于提高學生的工程實踐能力、科研能力和創新能力。

References)

[1] Chambers R D,Spink R C H.Microreactors forelemental fluorine[J].Chemical Commun(Cambridge),1999(10):883-884.

[2] Jahnisch K,Baerns M,Hessel V,et al.Direct fl-uorination of toluene using elemental fluorine ingas/liquid microreators[J].J Fluorine Chem,2000,105:117-128.

[3] Schubert K,Brandner J,Fichtner M,et al.Micr-ostucture devices for applications in thermal and chemical and chemical process engineering[J].Microscale Thermo phys Eng,2001,5(1):17-39.

[4] Jahnisch K,Hessel V,Lowe H,et al.Chemistry in Microstuctured Reactors[J].Angew Chem Int Ed,2004,43(4):406-446.

[5] 石春燕,蔣暉,張雄福.沸石及其膜在微型設備中的制備與應用進展[J].現代化工，2006，26(增刊):30-36.

[6] Wang Yao,Zhang Xiaoli,Wang Anjie,et al.Synthesis of ZnO nanoparticles frommicroemulsions in a flow type microreactor[J].Chemical Engineering Journal,2014(235)：191-197.

[7] 葉明星,Mansur E H A,王運東,等.微混合技術研究進展[J].化工進展，2007，26(6):755-761.

[8] 教育部.國家中長期教育改革和發展規劃綱要(2010—2020年)[N].人民日報,2010-03-01(05).

[9] 李培根,許曉東,陳國松.我國本科工程教育實踐教學問題與原因探析[J].高等工程教育研究,2012(3):1-6.

[10] 劉一飛,張景華,俞海洋.實施大學生創新性實驗計劃,構建基于能力培養的創新人才培養體系實踐與探索[J].實驗技術與管理,2012，29(7):21-23.

[11] 于振濤.大學生創新能力培養視角下的實驗室建設探析[J].實驗技術與管理,2012，29(6):20-26.

[12] 閆紹峰,廖國進,曾紅,等.工程型人才培養模式下的實踐教學體系構建[J].實驗室研究與探索,2014，33(6):223-226.

[13] 劉夢琴,鄺代治,馮泳蘭,等.以創新能力培養為核心構建多元化實踐教學體系[J].實驗室研究與探索,2014，33(3):189-193.

[14] 焦緯洲,劉有智,袁志國,等.基于工程實踐能力培養的化工原理實驗教學模式的研究與探索[J].實驗技術與管理,2014，31(3):166-168.

Research and development of experimental apparatus for microchannel process intensification and its practice

Wang Yao, Wang Gang, Kuang Guozhu, Ren Zhengling

(Faculty of Chemical, Environmental and Biological Science and Technology, Dalian University of Technology,Dalian 116024,China)

Experimental teaching plays an important role in cultivating engineering professionals,and the development of the experimental apparatus is the primary task of the experimental teaching reform.To meet the new engineering education requirements, the microchannel process intensification experimental apparatus was developed and has been used in the teaching practice. Micro mixer and micro heat exchanger are included in the apparatus which can be used to investigate the behavior of the mass transfer and heat transfer .With the arrangement being flexible and the research being diversity,the apparatus is applicable for research-type experimental teaching. The teaching practice shows that this device has enriched the experimental teaching content and has played a significant role in cultivating undergraduate’s innovative spirit and practical ability,and improving their research quality.

experimental apparatus; microchannel; research-oriented experimental teaching

2015- 01- 07

王瑤(1965—)，女，內蒙古海拉爾，工學博士，副教授，化工原理實驗室主任，研究方向為化學工程.

E-mail：wangyao@dlut.edu.cn

TQ016.5

A

1002-4956(2015)8- 0083- 04