一种在降膜微设备中强化液相传质的方法技术

本发明专利技术公开一种在微通道中能够强化液膜湍动的方法。本发明专利技术所述的方法是在降膜微通道上设置窗口，对窗口上下边缘进行加工，形成导流混合强化的弧形结构，对液膜起到导流与湍动强化作用。降膜微通道宽0.2~10mm，深0.1~3mm。液膜导流式窗口长0.5~30mm，宽为0.2~10mm，同一窗口上下边缘顶端棱线水平距离0.01~3mm，弧形结构弧度0~180°，圆角半径0.01~3mm，开孔率5%~30%，均匀地分布在微通道上。本发明专利技术的液膜流动在开窗部位发生变化，原本处于液膜底部的流体流向反应板另一侧液膜的表面，有效促进了液膜的表面更新和湍动；开窗部位促进液膜表面波动，降低液膜厚度，促使反应板两侧不同浓度的液体的混合；开窗部位上下边缘过渡平滑，有利于液膜的稳定性。

A method for enhancing liquid phase mass transfer in falling film microdevices

The invention discloses a method for strengthening liquid film turbulence in microchannels. The method is to set a window on the falling film microchannel, process the upper and lower edges of the window, form an arc structure with a diversion and mixing strengthening, and enhance the flow conduction and turbulent intensification of the liquid film. The microchannel of the descending film is 0.2~10mm wide and deep 0.1~3mm. The length of the liquid film guide window is 0.5~30mm, the width is 0.2~10mm, the horizontal distance of the top edge of the upper and lower edge of the same window is 0.01~3mm, the arc structure is 0~180 degree, the radius of the circle is 0.01~3mm, the opening rate is 5%~30%, and it is evenly distributed on the microchannel. The liquid film flow of the invention changes in the opening of the window. The fluid at the bottom of the liquid film flow to the surface of the liquid film on the other side of the reacting plate, effectively promoting the surface renewal and turbulence of the liquid film; the opening part promotes the fluctuation of the surface of the liquid film, reduces the thickness of the liquid film, and promotes the mixing of the liquid of the two sides of the reacting plate; The smooth transition of the top and bottom edges is beneficial to the stability of the liquid film.

【技术实现步骤摘要】
一种在降膜微设备中强化液相传质的方法
本专利技术涉及一种微通道中进行开窗导流强化液膜湍动与传质的方法，属于气液传质及反应分离装置的技术创新。
技术介绍
将部分核心化工装备小型化、微型化、集成化的方法是促进化工过程强化的有效手段，它是实现化工过程安全、高效和绿色的重要方法之一。微化工技术正是这一趋势下的一项新技术，与传统化学工业相比，它具有比表面积大、体积小、易快速放大及流动行为独特等特点[HelmutPennemann,VolkerHessel,HolgerLöwe.Chemicalmicroprocesstechnology—fromlaboratory-scaletoproduction［J］.ChemicalEngineeringScience,2004,59（2）：4789-4794；陈光文，袁权.微化工技术［J］.化工学报,2004,54(4)：428-439；骆广生，王凯等.微尺度下非均相反应的研究进展[J].化工学报,2013,64(1):165-172]。因此，微化工技术在材料制备、有机合成、分离净化等领域有着广泛的应用前景。微化工设备是实现化工过程安全可控微小型化生产的核心装备。基于微反应器内微小的流体分散尺度、极大的相间接触面积等特点，可以有效强化相间传质与混合过程，从而可以实现反应过程的安全可控或进行高效的分离操作。在降膜微反应器中，液体在降膜微通道内下降成膜，液膜厚度通常不足100μm，气相与之并流或逆流发生反应。降膜微化工设备的最大特征就是高比表面积，以德国美因茨为基数研究所（IMM）生产的标准化、商业化降膜微反应器（Standard-FFMR）为例，它的比表面积高达到20000m2/m3，而常规反应器内这一数值通常只有500-1000m2/m3，在此情况下，反应速率等将会得到极大的强化[YeongKK,GavriilidisA,ZapfR,HesselV.Catalystpreparationanddeactivationissuesfornitrobenzenehydrogenationinamicrostructuredfallingfilmreactor[J].CatalysisToday2003,81(4):641-51.]。针对降膜微反应器，国内外学者已在甲苯直接氟化、磺化、硝基苯催化加氢、臭氧化等反应进行了相关研究，都对反应起到了良好的强化效果[Jähnisch,K.,Baerns,M.,Hessel,V.Directfluorinationoftolueneusingelementalfluorineingas/liquidmicroreactors［J］.JournalofFluorineChemistry,2000,105（2）：117-128；KinYeongK,GavriilidisA,ZapfR,HesselV.Experimentalstudiesofnitrobenzenehydrogenationinamicrostructuredfallingfilmreactor[J].ChemicalEngineeringScience2004;59(16):3491-4;XieT,ZengC,WangC,ZhangL.PreparationofMethylEsterSulfonatesBasedonSulfonationinaFallingFilmMicroreactorfromHydrogenatedPalmOilMethylEsterswithGaseousSO3[J].Industrial&EngineeringChemistryResearch2013:52(10):3714-3722;KayKinYeonga,AsteriosGavriilidis,RalfZapf.Catalystpreparationanddeactivationissuesfornitrobenzenehydrogenationinamicrostructuredfallingfilmreactor［J］.CatalysisToday,2003,81(4)：641-651]。但是在微观尺度下，由于表面积与体积的比值急剧增大，表面力和粘性力的影响占主导地位，惯性力的作用大大减弱，加之微通道中的流速一般很小，属于低雷诺数层流流动[BraunerN,Moalem-MaronD.IdentificationoftheRangeofSmallDiameterConduits,RegardingTwo-phaseFlowPatternTransitions［J］.Int.Common.HeatMassTransfer,1992,19：23-39;GlasgowI,AubryN.Enhancementofmicrofluidicmixingusingtimepulsing［J］.LabChip,2003,3（2）：114-120]。众所周知，层流区内流体组分之间的传质通常由分子扩散实现，传质通常以极慢的速度进行。根据传质理论，气液传质时，大部分传质阻力均在液相传质边界层中。许多研究者提出，通过减小传质边界层厚度，强化液相混合，缩短扩散距离，可以达到增强传质的目的[VirginieMengeaud,JacquesJosserand,andHubertH.Girault,MixingProcessesinaZigzagMicrochannel:FiniteElementSimulationsandOpticalStudy[J].Anal.Chem.2002,74:4279-4286.；Stroock,A.D.,Dertinger,S.K.W.,Ajdari,A.,Mezic,.Chaoticmixerformicrochannels.[J].Science,2002,295(5555),647–651]。因此，有必要通过改进设备，改善液膜的流动状态，提高降膜微反应器中的传质效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种在降膜微通道中能够起到液膜导流和液膜湍动强化双重作用的微结构。我们经过系统研究，通过在降膜微通道上设置导流窗口，使其具有导流混合强化作用的弧形结构，对液膜起到导流和湍动强化作用。通过开设多个孔，反复对液膜进行导流翻转，起到表面更新的作用，实现强化湍动增强传质效果。在微通道中设置该结构，能保证液膜流动的稳定性，具有压降低、比表面积大、传质效率高等特点，是双面降膜、液膜翻转和微化工技术的复合强化。本专利技术通过下述技术方案加以实现：一种在降膜微化工设备中强化液相传质的方法，是通过在反应板两侧加工降膜微通道，然后在微通道上开窗，对开窗上边缘与下边缘进行加工，使边缘上形成圆弧形顶端的导流结构。其特征是在降膜微通道上设置有圆角边缘的窗口。在重力的作用下，液体在微通道内下降成膜。液体流经导流窗口时，此结构能对液膜进行导引，在反应板一侧的微通道中处于液体底部的部分流体流向另一侧微通道中液体的表面，从而使流体表面得到更新和反转，实现传质过程的强化。所述微通道宽0.2~10mm，深0.1~3mm，窗口宽度0.2~10mm，长0.5~30mm，同一窗口上下边缘顶端棱线水平距离0.01本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种降膜微设备中强化液相传质的方法，其特征就是在双侧降膜微设备的降膜通道上设置液膜导流式窗口，导流窗口上下边缘具有导流混合强化的弧形结构。

【技术特征摘要】
1.一种降膜微设备中强化液相传质的方法，其特征就是在双侧降膜微设备的降膜通道上设置液膜导流式窗口，导流窗口上下边缘具有导流混合强化的弧形结构。2.如权利要求1所述的降膜通道，其特征是通道宽0.2~10mm，深0.1~3mm。3.如权利要求1所述的液膜导流式窗口，其特征是窗口长0.5~30m...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐盛伟，陈思远，张涛，杨永昌，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：四川,51