天骥搅拌式反应釜:微反应器中的流动

浏览次数: 发布日期:2019-10-05 10:34

搅拌式反应釜列管式冷凝器专业生产厂家无锡天骥化工设备2019年10月5日讯  自江苏响水“ 3 ·21”事故以来,安全生产成为各级政府和企业悬在头上的一把利剑,各项更加严厉的安环整治措施也相继出台。从某种程度上讲,中国的化工尤其是精细化工起步晚、规模小,技术和设备相对比较落后。这一现状不容忽视。化学品生产过程中的一些危险反应过程,反应速度快,瞬间放热量大,如果反应器换热不及时,极易造成飞温、冲料现象,甚至发生爆炸事故。要想解决化工安全生产的难题,一方面需要执法部门的监督管理,另一方面需要加大对新技术的扶持和投入。

微通道反应器技术被公认为是 21 世纪化学合成技术的革命性成果,与传统的间歇反应釜合成工艺技术相比,微反应技术过程连续可控,自动化程度高,是一项本质安全的化学品生产技术,尤其对于大部分强放热快速危险工艺,本质安全特征明显,具有显著的经济效益和社会效益,是未来实现智能制造的重要技术之一。

微反应器是利用微加工或精密加工技术制造的特征尺寸在10微米到3毫米之间、比表面积达到10000-50000 m2/m3的反应器。与常规反应器相比,微反应器具有比表面积大、热/质传递速率高、停留时间短、安全性高、副产物少、操作性好、开发和推广周期短等突出优势,与其他强化手段相比,它的传质和传热速率综合效果最好,如下图:

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微反应器强化效果和其内部流动特性密切相关。不难想象,体积缩小必使通道内的表面张力作用显著增强,加上内部流动雷诺数极小,以层流为主,惯性力作用减弱,因此流动特性理应和大型反应器有很大区别。下面我们初步讨论下微反应器内的流动特性。

气液两相微反应器

气-液两相流流型特征按照流型相似性进行命名, 大致可分为:表面张力控制的泡状流和Taylor流, 过渡区域的搅拌流和Taylor-环状流, 惯性力控制的分散流和环状流六种流型。

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与其他流型相比, Taylor流具有操作区间宽、轴向返混小、径向混合好等特点, 是气-液微反应器内的理想操作流型。其流动特征为气相作为分散相以气泡形式存在,其长度通常大于通道宽度;液相作为连续相以液弹形式存在,气泡与液弹在通道内交替运动, 气泡几乎占据整个通道截面, 仅在气泡与微通道壁间存在一层薄液膜用以连接两个相邻液弹。如下图

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 Taylor流的两个突出特征是内循环和泄露流,如上图:气泡之间的液弹内部不是静止的,每个液弹内部都存在循环涡流(内循环)。在矩形或方形通道中,由于表面张力作用,气泡与壁面间的角落中存在较大空间,部分液体经此空间绕流过气泡,形成泄漏流。
泄漏流与内循环之间的传递机制对于调控传质传热有重要的影响。
泄漏流的驱动力源自气泡两端的压差,气泡尾端附近液体被卷吸入气泡与通道间液膜内,然后从气泡前端喷出。此过程中,液体速度可高达气泡速度的数倍。液体从气泡前端喷出后与内循环流汇合,在循环流作用下向通道中心运动。经此,相邻液弹间发生物质交换,增强轴向混合。
 
液液两相微反应器
 
与气液两相体系类似,液液两相流动也有很多流型,但由于两相性质变化大,所以种类更多,并根据体系不同可能出现不同的流型,因此更加复杂。对于互溶液-液两相流体在数百微米当量直径的微通道的流体流动行为仍然可以用常规理论来预测。对于互不相溶液-液两相流体,由于相间界面受流动状况和界面张力影响, 产生了多种界面现象, 增加了流动过程的复杂性。下图是赵玉潮等采用煤油-水为工作体系,在T型入口微通道中观察到的6种流型。
煤油-水体系在T形入口微通道中的流型

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在众多流型中,液滴流和弹状流因其良好分散性和可控性得到广泛关注。在这种流型中,分散相液滴可视为独立的“微反应器“,是化学反应、动力学测定、乳液制备和纳微材料合成等过程的理想流型。弹状流中连续相液弹和分散相内部均存在可控循环流,如下图所示。内循环增强了径向混合,也使相间边界层厚度减小,有利于混合和传质。
液液两相微反应器内液弹和分散相内循环示意图

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三相微反应器
 
三相微反应器分气-液-固三相和气-液-液三相两种情况。
在气-液-固三相微反应器中,根据固相催化剂在微反应器内处于流动状态或固定状态可将其分为催化剂悬浮式和催化剂固定式两种。
当气、液两相反应物通入微反应器内并形成稳定的两相流型后,气、液两相反应物由反应器主流区域传输至催化剂表面,并在催化剂活性位点处吸附并发生反应;随后,反应后得到的产物在活性位点处脱附,并由催化剂表面向反应器主流区域传输。气-液-固三相微反应器是研究催化剂性能的良好手段
气-液-液三相流型更为特殊。可用于隔绝液滴融合,以实现生物筛选和纳微材料的均匀合成等。通过引入惰性气体进行搅拌,液-液两相并行流较容易转变为分散相流型,水相破裂成液滴,油水两相比表面积和表面更新速率增加,液-液传质和反应得到强化。
随着微流控技术的发展,气-液-液三相微流体也常用来合成中空包囊材料、微气泡/微乳液等材料,常用的应用如下图所示。
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