研究：三类微混合器内的混合性能以及引入气相强化后混合性能的对比|反应器|气液|气相|液液|混合器

前几期，我们介绍了清华大学化学工程系骆广生教授研究团队针对气相强化微混合性能进行的较系统的研究成果。大家可以关注我们公众号，了解更多往期内容。

骆教授研究团队对比了T 形（T-junction）微混合器、十字形（cross-junction）微混合器和同轴环管（co-fl ow）微混合器，三类微混合器内的混合性能以及引入气相强化后的混合性能，结果都表明对称式的十字形及同轴环管微通道结构比非对称式的T形微通道结构更有优势。

图：1　十字形微混合器内引入气相后液柱长度的变化。（a）不同黏度下液柱长度

随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下液柱长度随气 / 液相比Rgas 的变化

图1显示的是十字形微混合器内液柱长度的变化情况，仅从液柱长度的数值上看，十字形并不比T形通道内的液柱长度短，甚至在较高流量比的情况下，T形通道的液柱长度更短。那么为何十字形通道的气相强化混合效果更理想呢？

图2：非对称式与对称式结构微混合器内混合效果差异的机理解释

（µ = 16.5 mPa·s，Q A = 1mL/min，Q B = 0.2mL/min）。（a）非对称式 -T 形结构；

（b）对称式 - 十字形结构；（a3）和（b3）中Q gas= 0.5mL/min

答案是，对称式结构的内循环流动对两股流体的混合效用更高。图2（a1）与（b1）分别是非对称式的T形通道与对称式的十字形通道的荧光示踪照片，尽管十字形通道内的小流股看上去更薄，但是处于通道中心的位置使得它能够同时参与两侧的内循环图［图2（b2）］，并且通道中心区域的流速较大，小流股在内循环中的运动速度也更高。相比而言，T形通道内［图2（a2）］，小流股紧贴壁面的流动不仅浪费了一侧的内循环，并且这部分流体尽管参与了内循环流动，但壁面附近的低流速一定程度上影响了这部分分子的移动速度。

因而，十字形通道能够在短时间内令整个通道内的流体混合均匀，而T形通道则呈现出两侧各自均匀但是浓度不同的现象，正如图2（a3）与（b3）对比的结果。

图3：对称式与非对称式通道内引入气相强化混合的比较。（a）不同黏度下X S

随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下X S 随气 / 液相比Rgas 的变化

通过比较图3中“Villermaux/Dushman”平行竞争反应的结果，可以看到，对于不同黏度下的混合［图3（a）］，对称式的十字形通道下的XS尽管比非对称式的T形通道稍低，但二者在R=5的情况下差距并不大。

但在提高混合流量比之后，如图3（b），十字形通道体现出非常明显的优势，在R=25的情况下，XS几乎只有T形通道内1/10的量级。这些都表明了，对称式结构的微混合器在解决大流量比带来的混合难题上是一种有效的手段。

图4：同轴环管微混合器内引入气相后液柱长度的变化。（a）不同黏度下液柱

长度随气 / 液相比Rgas 的变化；（b）不同混合流量比下液柱长度随气 / 液相比Rgas 的变化

而同轴环管微混合器中的液柱长度，如图4所示，与十字形微混合器相比略长一些，这是由不同混合交叉点结构对气/液分散的影响造成。但是这一液柱长度变化的重要性并不如对称式结构在大混合流量比的混合中发挥的作用，所以从定量的表征结果看来二者结果相当。但是如果考虑到通道结构的简洁性，十字形通道在实际应用中将被优先考虑。

根据上述对高黏体系、大流量比液 / 液均相混合及气相强化规律的研究可知，液 / 液混合过程与气相引入强化液 / 液混合过程的流型及其混合性能是不同的，下期，我们将分享其建立各自的数学模型。

参考资料：

[1] 骆广生，吕阳成，王凯，张吉松等，《微化工技术》化学工业出版社。

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