被動式微混合器內(nèi)液-液兩相流的研究進展★

王夢娜，張 珂，田晉平，李秉正

（太原科技大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，山西 太原 030024）

微通道反應(yīng)器具有安全、高效、高值的特點，化學(xué)反應(yīng)能夠在幾秒鐘到幾分鐘時間內(nèi)完成，可以突破傳統(tǒng)反應(yīng)器傳質(zhì)效率低、反應(yīng)速度慢的瓶頸，還解決了傳統(tǒng)反應(yīng)器過程難以控制、安全隱患高等問題，顯著提高了化工資源和能源利用率，符合提高精細化產(chǎn)品質(zhì)量的要求，已廣泛應(yīng)用于材料合成、結(jié)晶、萃取、聚合等領(lǐng)域，推動了化工行業(yè)的發(fā)展。

微通道中兩相的混合與傳質(zhì)是影響反應(yīng)速率、轉(zhuǎn)化率和收率的關(guān)鍵因素。在微米或亞毫米尺度的微通道內(nèi)實現(xiàn)流體混合的設(shè)備稱為微混合器，根據(jù)是否加入外部能量分為主動式混合器和被動式混合器。主動式混合器是通過引入電能、熱能、超聲波、磁力、脈沖等外部能量，使通道內(nèi)的流體發(fā)生擾動，提高流體間的接觸面積，極大地縮短了流體混合路程和混合時間，使混合效率顯著提高。但是主動式混合器需要在微通道的基礎(chǔ)上添加能量供應(yīng)和傳導(dǎo)裝置，存在加工難度大和成本較高問題。被動式混合器（又稱靜態(tài)微混合器）主要通過減少兩相流體擴散距離、重復(fù)拉伸和重組流體來實現(xiàn)流體的多層疊加，從而提高混合效率，具有結(jié)構(gòu)簡單、易集成復(fù)雜的微流控系統(tǒng)的優(yōu)勢，具有良好的發(fā)展前景。基于此，本文重點探討了被動式微混合器內(nèi)液-液兩相傳質(zhì)與混合的影響因素，并總結(jié)了改善兩相流混合與傳質(zhì)的方法，旨在為微混合器及微通道反應(yīng)器的優(yōu)化和應(yīng)用提供參考。

1 微混合器的混合

在微混合器中，微通道內(nèi)流體流動狀態(tài)多為層流，湍流混合難以產(chǎn)生。微通道內(nèi)的流體混合包含兩種機制，第一種是在對流階段，液滴內(nèi)循環(huán)加強了流質(zhì)之間的接觸面積；第二種是分子擴散，在液滴內(nèi)無內(nèi)循環(huán)處，溶質(zhì)依靠濃度差進行兩相流質(zhì)之間的交換。實際過程中流體的混合是兩種混合機制的協(xié)同作用的結(jié)果。

2 影響被動式微混合器兩相流傳質(zhì)與混合效率的因素

2.1 兩相物性

不同的流體由于其本身的物性，導(dǎo)致流體間的傳質(zhì)系數(shù)有所差異。例如，甲苯在水的傳質(zhì)系數(shù)高于正己烷在水的傳質(zhì)系數(shù)，其原因是甲苯的黏度高，與水之間的界面張力較低，可以有效改善液滴的內(nèi)循環(huán)。而研究發(fā)現(xiàn)增加其中一相流體的黏度時，可以提高混合效率，但改變密度對混合效率沒有影響。

2.2 兩相流流速

兩相流體流速直接影響管道內(nèi)流體雷諾數(shù)和慣性，在低雷諾數(shù)區(qū)域，流體流速較慢，停留時間長，分子擴散作用增強，混合效率高；高雷諾數(shù)區(qū)域，流體內(nèi)發(fā)生內(nèi)循環(huán)，增大兩混合流體的接觸面積，降低混合距離，提高混合效率。在實際工作中，雷諾數(shù)越高，壓降越高，無法實現(xiàn)兩相的完全混合。因此，在研究中，選取合適的流速是保證混合效率的關(guān)鍵。

2.3 壁面濕潤性

微通道材料可以影響通道壁面與流體間接觸角，影響通道與兩相的濕潤性，進而影響通道內(nèi)液滴的形成。王維萌等[1]研究了壁面接觸角會影響生成液滴的流型，分散相與壁面接觸角越小，會導(dǎo)致接觸面積的增大，生成穩(wěn)定的液滴。但是流速過大會使液滴生成頻率降低，加大混合難度。當(dāng)微通道更親連續(xù)相時，可以形成液滴或液柱。

2.4 微通道的尺寸

在納米級微通道中，液-液兩相流體的混合效率受黏性力和表面張力共同控制，在毫米級別的微通道中，液-液兩相流體的混合效率還受重力的影響。減小微通道的尺寸可以增大界面面積，并增大內(nèi)循環(huán)和傳質(zhì)阻力，從而提高傳質(zhì)系數(shù)。

2.5 微通道截面

微通道的橫截面以圓形和矩形居多，在使用模擬軟件對其內(nèi)部流體進行分析時，3D 模型主要用來模擬橫截面為正方形或矩形的微通道內(nèi)流體流動情況，截面為圓形的微通道多采用2D 模型模擬內(nèi)部流體的流動，以減少計算機的運算量。陳一宇等[2]對比了三維菱形通道與直通道傳質(zhì)效率，三維菱形通道具有更高的傳質(zhì)系數(shù)，壓降更大，能夠有效誘導(dǎo)渦流的產(chǎn)生，增強兩相的混合，進而增強傳質(zhì)。

2.6 微通道的入口結(jié)構(gòu)

T 型微混合器是最簡單的被動式混合器。兩相流分別從T 型兩端進入，流體依靠對流作用和分子擴散進行混合，這種通道內(nèi)的混合時間一般較長，微通道尺寸越小，擴散距離和擴散時間越短。楊麗等[3]用COMSOL 仿真軟件研究了T 型微通道內(nèi)的混合機制，發(fā)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)擾動作用可以使兩相界面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，增加流速可以增強旋轉(zhuǎn)擾動作用，混合效果更好。吳瑋等[4]對比了單級T 型微通道與雙極T 型微通道的混合效率，隨著雷諾數(shù)（0～200）的提高，雙極T 型微通道的混合效率明顯高于單級T 型微通道，最高提升了40%左右，其原因是雙級T 型微通道會進行二次混合，流體接觸面積增大，使得微通道內(nèi)易出現(xiàn)渦流，混合即增強。在T 型微通道的基礎(chǔ)上，逐漸發(fā)展出渦旋型T 型微通道、Y 型、十字型等流體入口方式，以獲得更小的液滴，生成頻率也相應(yīng)增加，從而提高混合效率。

2.7 微通道混合區(qū)結(jié)構(gòu)

微通道混合區(qū)的結(jié)構(gòu)主要有直通道和彎曲通道兩種。王佳男等[5]通過研究流體流經(jīng)二維彎曲管道時，液滴內(nèi)部可以產(chǎn)生混沌流，混合效率更高。此外，多級螺旋微通道也證明可以獲得更高的混合效率。

3 改善兩相流混合與傳質(zhì)的方法

3.1 混沌式

向微通道內(nèi)部加入擋板或設(shè)置凹槽，可以改變流體的原先的運動軌跡，提高兩相流體的接觸面積，得到與主流方向垂直的二次流，再次引發(fā)混沌對流，加速兩相在低雷諾數(shù)條件下的混合。常見的形式包括加入矩形、平板型、梯形、圓柱型、鋸齒狀擋板、半圓柱槽，以及改變擋板與微通道的夾角。楊雪芳和林瑩[6]在T 型微通道中添加矩形、斜面梯形和曲面梯形擋板的研究發(fā)現(xiàn)，加入矩形擋板產(chǎn)生的混合效果最佳，但斜面梯形造成的壓力損失最小，綜合性能最優(yōu)。此外，三角形擋板、六角形擋板、菱柱形擋板、半圓柱槽以及不同的擋板結(jié)合等都證明了可以加強流體混合。

李健和夏國棟[7]將擋板與彎曲微通道結(jié)合，在微通道內(nèi)形成了擴展渦、分離渦和Dean 渦加強了流體間的擾動。李慧玲[8]對直通道和凹穴型微通道內(nèi)的速度場、流場和渦量進行定量和定性分析，結(jié)果表明，凹穴拐角區(qū)域易形成渦流，且不同尺寸凹穴結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的渦流對流場的擾動作用不同。液滴大小隨凹穴高度和寬度的增加而逐漸增加，隨凹穴間距的增大而逐漸減小。

3.2 分流合并式

在微通道內(nèi)加入障礙物會導(dǎo)致較大的能量和動量損失，而將流體不斷進行分流-混合-再分流的循環(huán)切割流體，會增強流體自身的內(nèi)循環(huán)，打亂流體原本的運行軌跡，將流體重新進行分布，如此反復(fù)，直到流體充分混合。周培培[9]搭建樹狀型并行微通道用于制備乳液，優(yōu)化了壓降與黏性耗散等消耗能力，并且流體經(jīng)過樹狀型微通道時，流速分布更加均勻。

本課題組借助康寧微通道反應(yīng)器卓越的傳質(zhì)傳熱性能和優(yōu)異的耐腐蝕性，解決氣—水—有機三相Bunsen 反應(yīng)（SO2+2H2O+I2-甲苯→2HI+H2SO4+甲苯）的傳質(zhì)問題和混酸產(chǎn)物的強腐蝕問題。康寧微通道反應(yīng)器由多個其具有獨特心型結(jié)構(gòu)的單元模塊組成（如圖1），使流體重復(fù)地分流再合并，有助于增加各相之間的接觸面積。結(jié)果顯示，康寧微通道反應(yīng)器SO2在水相與甲苯相之間的傳質(zhì)速率是傳統(tǒng)釜式反應(yīng)器的10 倍以上。

圖1 康寧微通道反應(yīng)器[10]

3.3 分層式微通道

分層式微通道將不同的流體進行分層，再層層相疊，從而增加流體的接觸面積，改善混合效率。何木川[11]設(shè)計出跨橋式微結(jié)構(gòu)混合器，流體經(jīng)過跨橋通道時，組分界面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，可以增大界面面積，3 個子通道流體進行層層疊加，成倍地強化了組分間的物質(zhì)交換。

4 結(jié)語

微通道反應(yīng)器由于輕便、高效、靈活、安全的優(yōu)點已廣泛應(yīng)用于多個行業(yè)。被動式微混合器不需要添加額外的能量場，結(jié)構(gòu)簡單，易集成復(fù)雜的微流控系統(tǒng)，具有良好的發(fā)展前景。通過改變流體物性、流速、微通道尺寸、幾何結(jié)構(gòu)可以提高微通道內(nèi)的流體混合及傳質(zhì)效率。增加一相流體的黏度可以提高混合效率；提高流速可以增大雷諾數(shù)和慣性力，但是也會增大壓降，并不總是促進流體的混合；減小微通道的尺寸可以增大兩相界面面積，提高傳質(zhì)系數(shù)，促進混合；相同水力直徑下，矩形微通道截面比正方形的傳質(zhì)效率更高；改進微通道的入口和混合器結(jié)構(gòu)均可以促進混合，強化傳質(zhì)。通過在微通道內(nèi)加入障礙物和凹槽，流體分流或引入二次流導(dǎo)致流體的形變、拉伸、折疊，可以增大流體的界面接觸面積、減少流層厚度，從而改善液-液兩相流的混合與傳質(zhì)。目前微通道的混合與傳質(zhì)機理還有待完善，解決通道阻塞、并行管道內(nèi)流體分配等問題是進一步大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用亟待解決的問題。