一种利用体视显微镜测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种利用体视显微镜测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置及方法。该装置包括体视显微镜、降膜微通道、注射泵、蠕动泵、冷却循环泵、恒温槽和数据采集与处理器等。测量方法为：首先采用体视显微镜对空白降膜通道进行扫描，得到通道二维截面坐标信息，并以此作为基线。然后采用注射泵对降膜系统进料，当液相达到稳定后，再次用体视显微镜对降膜通道进行数据采集，并把该结果与初次采集的基线信息进行对比，根据两次所得截面纵坐标差值即可得到表观液膜厚度值，利用降膜液体的基础物性，对膜厚进行修正后即可获得降膜通道中的液膜厚度。同时采用该装置也可实现对液相对微通道润湿行为及微通道内液相流动形态等流体力学行为的观测。该测量装置和方法具有易于安装、操作简单、无接触测量、测量精度高等优点。

A device and method for measuring the thickness and hydrodynamic behavior of falling film microchannel by stereomicroscope

The invention relates to a device and a method for measuring the liquid film thickness and hydrodynamic behavior in a falling film microchannel by using a stereomicroscope. The device includes stereomicroscope, falling film microchannel, injection pump, peristaltic pump, cooling circulating pump, constant temperature tank and data acquisition and processing unit. The measurement method is as follows: Firstly, the blank falling film channel is scanned by stereomicroscope, and the two-dimensional cross-sectional coordinates of the channel are obtained, which are used as the baseline. Then the injection pump is used to feed the falling film system. When the liquid phase is stable, the falling film channel is sampled again by stereomicroscope. The result is compared with the baseline information collected for the first time. The apparent liquid film thickness can be obtained according to the difference of the sectional ordinates obtained twice. The falling film liquid substrate is used. The thickness of the liquid film in the falling film channel can be obtained by correcting the thickness of the membrane. At the same time, the device can also be used to observe the hydrodynamic behavior of liquid phase relative to microchannel wetting behavior and liquid flow pattern in microchannel. The measuring device and method have the advantages of easy installation, simple operation, non-contact measurement and high measuring accuracy.

【技术实现步骤摘要】
一种利用体视显微镜测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置及方法
本专利技术涉及测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置与方法，尤其涉及一种利用体视显微镜测量微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置及方法。
技术介绍
降膜微反应器属气液微反应器范畴，是一种新型连续接触式气液传质设备，具有比表面积大、传递速率高、温度控制精确等优点，适用于强放热、快速反应。目前已成功应用于氟化、磺化、光催化、臭氧化等反应过程中[JaèhnischaK,BaernsaM,HesselbV,etal.Directfluorinationoftolueneusingelementalfluorineingas/liquidmicroreactors[J].JournalofFluorineChemistry,2000;105:117-28；MullerA,CominosV,HesselV,etal.Fluidicbussystemforchemicalprocessengineeringinthelaboratoryandforsmall-scaleproduction[J].ChemicalEngineeringJournal,2005;107(1-3):205-14；FabryDC,HoYA,ZapfR,etal.BluelightmediatedC–HarylationofheteroarenesusingTiO2asanimmobilizedphotocatalystinacontinuous-flowmicroreactor[J].GreenChem,2017;19(8):1911-8]。降膜微反应器的传质传热特性取决于液相在降膜微通道中的成膜特性，液膜厚度及流体力学行为是其中最为重要的因数，准确获取成膜厚度数据和掌握流体力学行为对预测热质传递特性、分离特性以及反应特性都具有重要的意义。目前，降膜微通道内液膜厚度的测量方法和流体力学行为的观察方法主要包括：共聚焦激光技术、共聚焦荧光技术以及微粒子图像测速技术（μ-PIV）[YeongKK,GavriilidisA,ZapfR,etal.Characterisationofliquidfilminamicrostructuredfallingfilmreactorusinglaserscanningconfocalmicroscopy[J].ExperimentalThermalandFluidScience,2006;30(5):463-72；AnastasiouAD,GavriilidisA,MouzaAA.Studyofthehydrodynamiccharacteristicsofafreeflowingliquidfilminopeninclinedmicrochannels[J].ChemicalEngineeringScience,2013;101:744-54；TourvieilleJ-N,BornetteF,PhilippeR,etal.Masstransfercharacterisationofamicrostructuredfallingfilmatpilotscale[J].ChemicalEngineeringJournal,2013;227:182-90]。这些装置普遍价格昂贵且操作相对麻烦，另外荧光技术以及微粒子图像测速等均需要在待测流体中添加示踪粒子进行成像，对于一些特殊介质如强化氧化或高粘性流体，寻求合适的示踪粒子相对来说比较困难，因此限制了这些测量技术的适用范围。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有液膜厚度测量方式的局限，提供了一种新的降膜微通道内液膜厚度的测量方法及装置，具有操作简单，无接触测量等特点。同时，测量过程无需添加示踪粒子进行辅助成像，适用范围广。本专利技术所需要的器材包括：具有立体成像功能的显微镜，降膜微反应器，注射泵，蠕动泵，冷却循环泵，恒温槽，数据采集与处理器以及各种辅助性部件如管线、阀门、热电阻等。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种降膜微通道内液膜厚度测量的方法及装置，包括体视显微镜、降膜微反应器、注射泵、蠕动泵、恒温槽、数据采集与处理器等组成。具体实施步骤为：将降膜微通道固定在体视显微镜载物台上，调整显微镜头为水平状态，使光路垂直照射降膜微通道；开启显微镜，对空白通道进行扫描成像，记录通道二维坐标信息，通道深度记为，以此作为液膜厚度测量基线；开启注射泵，设置液相进料流量，对测试系统进行进料，液相在重力作用下在微通道内下降成膜；待液相达到稳定状态后，再次采用显微镜对降膜通道进行扫描成像，记录通道坐标信息，此时降膜通道深度记为。表观液膜厚度为。进一步地，由于光路在液膜表面折射现象的存在，上述表观液膜厚度值并非液膜的实际厚度，因此需对其进行修正，所采用的公式为：式中，是实际液膜厚度值，是表观液膜厚度值，是降膜介质折射率。本专利技术与现有技术相比，其显著优点在于：（1）设备简单，易于安装：仅需把降膜微反应器固定在显微镜载物台上即可，无需调整显微镜光路；（2）无接触测量：测量过程不接触液膜，不会对流场造成影响；（3）适用范围广：测试过程无需添加示踪粒子；（4）成本低：与共聚焦显微镜或微粒子图像测速系统（μ-PIV）相比，显著降低了实验成本。附图说明下面结合附图和实施例，进一步阐释本专利技术。图1是本专利技术降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为测量装置的结构示意图。图2是本专利技术实施实例中液相对微通道润湿过程的成像效果图。图3是本专利技术实施实例中液相在微通道内流型图。图4是本专利技术实施实例中表观液膜厚度值和实际液膜厚度值对比图。具体实施方式实施例1观察液相对降膜通道润湿过程：如图1所示，将降膜微反应器固定在体视显微镜（Smartzoom5,CarlZeiss,Germany）载物台上，调整显微镜头为水平状态，使采集光路垂直照射降膜微通道，所用降膜微通道材质为316L不锈钢，通道深200μm，宽1200μm；开启注射泵（DB-80-ST,BeijingSpacecrafts,China），设置液相进料流量QL=15ml/h，对测试系统进料，所用降膜介质是去离子水，常温下折射率是1.333；开启显微镜，记录液相从布液器内流出至对整个通道的润湿过程。结果表明：液相首先润湿降膜通道及两侧边壁，之后边壁处液相快速蒸发，液相完全在通道内流动，如图2所示过程。实施例2观察液相在降膜微通道内的流型：如图1所示，将降膜微反应器固定在体视显微镜（Smartzoom5,CarlZeiss,Germany）载物台上，调整显微镜头为水平状态，使采集光路垂直照射降膜微通道，所用降膜微通道材质为316L不锈钢，通道深200μm，宽1200μm；开启注射泵（DB-80-ST,BeijingSpacecrafts,China），设置液相进料流量QL=10ml/h，对测试系统进料，所用降膜介质是无水乙醇，常温下折射率是1.362；待液相达到稳定状态后，开启显微镜，观察液相在微通道内的成膜情况；改变进料流量QL=2ml/h，观察不同进料流量下液膜完整性及液相在微通道内的流型等。结果表明：流量较大时液相完全润湿通道，呈现“完整流”，当流量减小后，液膜发生破裂，呈本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利用体视显微镜测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置，其特征在于，包括体视显微镜（2）、降膜微反应器（3）、注射泵（4）、蠕动泵（6）、冷却循环泵（5）、恒温槽（7）和数据采集与处理器（1）等，其中体视显微镜（2）与数据采集与处理器（1）连接。

【技术特征摘要】
1.一种利用体视显微镜测量降膜微通道内液膜厚度及流体力学行为的装置，其特征在于，包括体视显微镜（2）、降膜微反应器（3）、注射泵（4）、蠕动泵（6）、冷却循环泵（5）、恒温槽（7）和数据采集与处理器（1）等，其中体视显微镜（2）与数据采集与处理器（1）连接。2.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述显微镜（2）为体视显微镜，显微镜的最大分辨率为0.1μm~20μm，最大放大倍率20×~2000×，光学变倍范围0.5×~40×。3.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述体视显微镜（2）传感器类型为CMOS或CCD，光源为LED光源或其他可照明光源。4.如权利要求1所述的测量装置，其特征在于，所述降膜微反应器（3）微通道宽0.1mm~10mm，深0.1mm~3mm。5.一种基于权利要求1所述降膜微通道内液相成膜厚度及流体力学行为测量方...

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