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声化微反应器中声空化过程的控制

基于声化微反应器的概念,从声空化过程控制(声场和气泡场控制)的角度总结和总结当前文献报道的超声微反应器

超声波微反应器的结构设计是微反应器与声学相结合的硬件基础,也是微反应器中声场控制的关键。目前,大多数超声波微反应器通常直接将超声波芯片粘贴在微反应器的外表面,并将超声波能量传递给反应器。Kuhn提出了一种新型的电压板式超声波微反应器,用两块不锈钢板将电压板夹在聚四氟乙烯微反应器板上。由于压电陶瓷片的抗张强度差,这些超声波芯片在大功率工作条件下容易破裂,输入的超声波功率低,只能用于生物分析和微流控制芯片领域。

微反应器在化工领域体积较大,流体处理能力较大,单压片输出的超声强度往往不能在所有通道中达到较好的强化效果。夹心式超声交换器具有功率大、能效高、散热好、压片不易破裂等优点,广泛应用于超声清洗、超声加工、声化处理等领域。

一些研究人员还将大功率夹层换能器引入超声波微反应器设计。夹层超声波传感器和微反应器结合的最简单方法是将微反应器直接浸入超声波清洗槽中,因为清洗槽的超声波是由底部夹层传感器产生的。许多研究人员使用这种方法来防止微反应器中的颗粒堵塞。

用这种方法加强水解反应过程中有机相和水相之间的传质。这种直接将微反应器浸泡在清洗槽中的方法不仅简单方便,而且微反应器的尺寸远小于清洗槽,因此微反应器中的声场往往相对均匀。然而,该方法的超声波能量传递效率不高,在清洗槽液体中消耗大量能量。进入微反应器的能耗只是超声波清洗槽输入总功率的一小部分。为了提高超声波能量从夹心传递到微反应器的效率,研究人员提出了一些解决方案。

将微反应器和夹层换能器变幅杆的前端放入装满水的高压釜(0.45兆帕),利用高压水将超声波能量从换能器传导到微反应器。由于水在高压下不易空化,这种反应器的能量传递效率高于超声波清洗槽。然而,该装置庞大,操作复杂的超声波在进入微反应器时通过两个液体固定接口的反射,传输效率仍然很低。龙沙公司发明了将超声波导入微反应器的方法,成功用于工业化过程中的堵塞防止。该方法通过耦合装置将超声波直接从换能器传输到与其接触的工艺流体,通过流体将超声波能量引入微反应器。

由于超声波在技术流体中衰减快,该方法只能在微反应器的局部(入口或出口等)中引入超声波。此外,传感器产生的一些超声波也传播到连接的耦合装置和管道中,导致能量损失和设备磨损。以上基于夹心传感器的超声波微反应器输出功率大,但超声波通过液体介质从传感器表面传输到微反应器,能量效率低,微反应器声场分布不均匀。

 微反应器.jpg

通过上述分析,研究发现,如果夹芯换能器与微反应器直接结合,即换能器表面与微反应器外表面直接结合,可避免液体媒体和固定液体接口中超声的能量损失,大大提高能效。根据夹心式超声波换能器的工作原理和设计理论,设计了新的高效大功率超声波微反应器,将夹心式超声波微反应器与微反应器直接结合,通过结构优化设计,纵向形成半波振子(1/2波长的驻波),微反应器正好在驻波腹附近的ANSYS数值模拟声场分布图中证实,超声波微反应器的整体振动在纵向形成半波驻波,微反应器处于振动幅度最大的腹部,微反应器的整体平面振动分布均匀。利用阻抗分析仪测量超声波微反应器的阻抗曲线,发现其谐振频率在理论设计的20kHz附近,功率因素较高, 500~1000 之间。利用标准量热法测量了超声微反应器内的功率密度,输入总功率为 5~50 W 时,反应器声功率密度为 0.03~0.3W·ml-1 ,与传统声化学反应器功率密度相近。



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