苏州汶颢微流控技术股份有限公司

首页 > 技术资讯 > 技术学院

层流状态下微反应器的混合研究

在化学反应中混合是一个至关重要的因素。事实上,近些年不少学者和研究机构在微流体混合装置的研发上做出了突出的贡献,这些微流体混合装置能够有效的对反应物进行混合。层流状态下的混合主要属于扩散现象,这种扩散的效率又会影响到通道的长度。混流产生的折叠流场会减少扩散的长度,增加整个混合的效率。该过程甚至可以在雷诺数相对较低时发生。本文针对一种特定结构的微流体混合器在低雷诺数时进行了对比分析。

微混合器的设计

众所周知,当流体在弯曲的通道内流动时会产生离心力。而这种在静压力下不平衡的离心力和半径梯度会导致二次流的发生。本文所涉及的微混合器设计思想就是基于有两个圆弧的二维平面单元设计的。

1显示了该混合器的结构主要包括3个进料口,4个独立的混合单元以及1个产物出口。

图1 混合器通道结构

1 混合器通道结构

理论支撑

本文采用有限体积法来处理这些现象的支配方程,例如:采用耦合的纳维-斯托克斯方程和质量运输扩散方程:

理论支撑

其中:ν是流体域中各个点的速度矢量;

           p是流体域中各个点的压力;

           ρ是流体的密度;

           μ是流体的黏度;

           D表示扩散系数;

           c表示浓度。

本次分析采用图1所示的三维模型进行有限元仿真,共进行了8种不同雷诺数下的结果对比。

结果对比

首先分析了首个混合单元在Re=10Re=100时的4个不同截面处浓度分布情况,并在图2中显示了两种雷诺数下的流线与局部截面处的浓度分布图。从图中可以明显的看出:当Re=10时两种流体的混合较差,证明两种流体仅仅是在交界面上进行了轻微的混合,大部分流体都沿通道的轴向流动。相反当Re=100时两种流体的交界面明显地被扩大,混合效果很好。这种现象的物理原因是局部迪恩数的增加导致了反向的迪恩涡:微通道中的离心力使外层流体向回转中心流动,并且内层流体朝着高层的和低层的壁面流动。

图2 不同雷诺数下首个单元的浓度分布情况

不同雷诺数下首个单元的浓度分布情况

微流体装置的混合强化作用如图3所示,其中截取了微流体装置中3个不同位置的浓度分布云图,能够看出在不同雷诺数下各截面的混合程度。在Re=10时,即使在第四个混合单元的出口处混合效果依然较差,而在Re=100时这种二次流使混合作用非常强烈,即使在最后一个混合单元的出口处,浓度的分布也依然非常均匀。

微流体装置的混合效率可以根据操作时的状态从视觉上获得定性的分析。图4显示了在多种雷诺数下流体在出口截面E处的浓度分布情况。从这些图中可以容易的得出随着雷诺数的增加两种物料的混合程度逐渐增加,当雷诺数大于50以后两种流体就混合的很好了,几乎无法分辨出这两种流体的分界面。

图3 不同雷诺数下多个单元出口处浓度分布情况

3 不同雷诺数下多个单元出口处浓度分布情况

图4 不同雷诺数下出口处的浓度分散云图

不同雷诺数下出口处的浓度分散云图

结论

本文通过对所设计的微混合器进行对比分析,证明该微混合器能在层流状态下且雷诺数相对较小时便可将流体进行充分的混合。

参考文献

[1] Y.F. Fan, I. Hassan, Exp Fluids 49, 733 (2010)

[2] V. Hessel, H. Löwe, F. Schönfeld, Chem Eng Sci 60, 2479 (2005)

[3] M. Hoffmann, M. Schlüter, N. Räbiger, Chem Eng Sci 61, 2968 (2006)

[4] P.B.J. Howell, D.R. Mott, J.P. Golden, F.S. Ligler, Lab Chip 4, 663 (2004)

[5] M.G. Lee, S. Choi, J.-K. Park, Biomed Microdevices 12, 1019 (2010)

(文章来源:  豪迈化工技术 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息,版权归原作者所有,如侵犯权益,请联系删除)