一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法技术

本发明专利技术涉及一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，采用二氧化碳和去离子水作为测量微反应器气液总传质系数的气液两相体系，二氧化碳和水两相流经微反应器混合后，从出口取混合液加入强碱溶液；测量加入混合液前后强碱溶液的pH值，通过pH值可计算得到氢氧根浓度的变化量，再由氢氧根浓度变化量计算得到通过微反应器后二氧化碳的浓度变化和二氧化碳气体传质通量，最后根据传质公式计算得出微反应器的总传质系数。与现有技术相比，该方法更便捷，测量成本低，无需使用色谱仪等大型设备，测量时间从小时级缩短至0.5～2min；可用于评价微反应器的气液传质效果，基于评价结果还可以指导微反应器流道结构设计的优化，更好地强化气液传质。更好地强化气液传质。更好地强化气液传质。

【技术实现步骤摘要】
一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法


[0001]本专利技术涉及气液传质领域，具体的说，是一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法。

技术介绍

[0002]微反应技术起源于20世纪90年代，21世纪初叶是微反应技术的快速发展期。大量研究均表明，对于受传递或混合控制的化学反应过程，微反应器具有显著地强化效果。对于气
‑
液多相反应体系而言，气
‑
液相间传递阻力往往是决定整体反应速率的关键步骤，为了合理设计这种微化学反应器，必须先研究与微通道内传递和反应过程特性相关的基本问题，由于气液界面面积难以界定，单纯测量传质系数比较困难，因此测量气液体积传质系数相对而言更具意义和实用价值。
[0003]现有测量总传质系数的方法主要有物理法和化学法，物理法使用氧气或氮气在液体中的溶解作为测量体系，通过溶氧仪直接测量液体中气体的消耗速率，但由于大多数气体在液相中的溶解性差，同时连续流使用到的反应器持液量低，所以分辨率有限，对测量设备要求很高。由于氧气或氮气在液体中的溶解度较小，在微反应器内气液传质速度非常快，液体会迅速饱和，因此，对于停留时间稍长的微反应器，在物理体系下测量常常不准确，使测量结果偏小。这表明，传统物理法不适用于测量微反应器的传质系数。
[0004]除此之外也有通过高速摄像机直接监测气体传质情况来计算总传质系数的方法，不仅需要使用高速摄像机，以及强大的数据统计分析能力，所能测试的微反应器还必须透明，以便于气泡的观测，这便极大地限制了该方法的应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术主要解决的技术问题是，针对现有微反应器的传质效果评价方法的不足，本专利技术主要提供了一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法。
[0006]一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，其包含的技术步骤为：
[0007]采用二氧化碳和去离子水作为测量微反应器气液总传质系数的气液两相体系，二氧化碳和水两相流经微反应器混合后，从出口取混合液加入强碱溶液；测量加入混合液前后强碱溶液的pH值，通过pH值可计算得到氢氧根浓度的变化量，再由氢氧根浓度变化量计算得到通过微反应器后二氧化碳的浓度变化和二氧化碳气体传质通量，最后根据传质公式计算得出微反应器的总传质系数；
[0008]针对去离子水、二氧化碳体系，根据气液传质原理，气液总传质系数k
L
a按下式计算：
[0009][0010]其中，L表示微反应器混合区域的长度，单位mm；
[0011]C*表示气液界面的CO2摩尔浓度，单位mol/L；
[0012]v
L
表示液体流速，单位m/s；
[0013]C0表示混合区域入口处溶液内二氧化碳摩尔浓度，单位mol/L；
[0014]C1表示混合区域出口处溶液内二氧化碳摩尔浓度，单位mol/L；
[0015]混合区域溶液内二氧化碳的浓度通过pH计进行测量。
[0016]进一步地，对于去离子水、二氧化碳体系，从微反应器的出口取10～20mL的两相混合液，加入0.1M的等量NaOH溶液进行吸收标定。
[0017]进一步地，整个测量过程在室温下进行。
[0018]混合区域入口处气相、液相刚接触假设还未发生传质和反应，因此规定混合区域入口出二氧化碳摩尔浓度C0＝0。
[0019]气液界面的CO2摩尔浓度C
*
＝H
·
P
CO2
，
[0020]其中H为亨利常数，P
CO2
为气相中CO2分压，即反应器的平均压力单位bar，通过压力传感器测量。
[0021]PH计示数表示为当前温度下溶液的PH值，室温时，溶液中氢离子与氢氧根浓度的乘积为10
‑
14
mol/L，PH值与溶液中OH
‑
的浓度存在如下关系：PH＝14+log
10
[OH
‑
][0022]微反应器内去离子水吸收二氧化碳的反应方程式：
[0023]去离子水和二氧化碳混合后，混合液用等体积的氢氧化钠溶液进行吸收标定，涉及的反应方程式：H2CO3+2NaOH＝Na2CO3+H2O；H2CO3+NaOH＝NaHCO3+H2O
[0024]上述等体积的氢氧化钠溶液和混合液混合后溶液为碱性，在碱性溶液中反应主要生成Na2CO3，因此NaOH和CO2消耗比大致为2:1。
[0025]使用pH计测量加入混合液前后氢氧化钠溶液的pH值为pH0、pH1，将pH值转化为溶液中氢氧根的浓度[OH
‑
]。
[0026]混合前混合后
[0027]混合区域出口处溶液内二氧化碳浓度
[0028]将上述公式代入去离子水、二氧化碳体系对应的气液总传质系数计算公式：
[0029][0030]得到对于去离子水、二氧化碳(氢氧化钠)体系的微反应器气液总传质系数计算公式：
[0031][0032]本专利技术的有益效果是：
[0033]与现有测量微反应器总传质系数的方法相比，该方法更便捷，测量成本低，无需使用色谱仪等大型设备，测量时间从小时级缩短至0.5～2min。上述方法可用于评价微反应器的气液传质效果，基于评价结果还可以指导微反应器流道结构设计的优化，更好地强化气液传质。
附图说明
[0034]图1为一种气液剪切形式的微通道反应器I结构示意图，其中通道横截面积为0.5x1mm2，通道长度48mm；
[0035]图1a为微通道反应器I混合区域通道横截面示意图；
[0036]图2为微反应器的气液总传质系数测量流程图；
[0037]图3为选用本文中去离子水和二氧化碳体系及测量公式测量图2结构微反应器的气液总传质系数。
具体实施方式
[0038]下面结合实施例对本专利技术做进一步说明。
[0039]在不同操作条件下，即不同的液体、气体流量，测量微反应器的气液总传质系数。
[0040]选择一种气液剪切形式的微通道反应器I，该微反应器的结构示意图如图1所示，其中混合区域通道长度48mm，通道截面积1x1mm2。
[0041]实施例1：选择去离子水、二氧化碳体系测量微通道反应器I的气液总传质系数
[0042]在室温条件下，分别使用恒流泵和气体流量控制器以不同的流向微通道反应器I输送去离子水和二氧化碳，通过压力传感器记录实时压力气液通过微反应器混合后，从出口处取每次混合后的液体10mL，加入到10mL 0.1M的氢氧化钠溶液，使用pH计测量加入两相混合液前后氢氧化钠溶液的pH值，微反应器气液总传质系数测量流程图，如图2所示。通过pH值可计算得出氢氧根浓度的变化量，再由氢氧根浓度变化量计算得到通过微反应器后二氧化碳的浓度变化和二氧化碳气体传质通量，后根据传质公式计算得出微反应器的总传质系数。将测量的pH值和实时压力代入去离子水、二氧化碳(氢氧化钠)体系的气液总传质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，其特征在于，其包含的技术步骤为：采用二氧化碳和去离子水作为测量微反应器气液总传质系数的气液两相体系，二氧化碳和水两相流经微反应器混合后，从出口取混合液加入强碱溶液；测量加入混合液前后强碱溶液的pH值，通过pH值可计算得到氢氧根浓度的变化量，再由氢氧根浓度变化量计算得到通过微反应器后二氧化碳的浓度变化和二氧化碳气体传质通量，最后根据传质公式计算得出微反应器的总传质系数；针对去离子水、二氧化碳体系，根据气液传质原理，气液总传质系数k
L
a按下式计算：其中，L表示微反应器混合区域的长度，单位mm；C*表示气液界面的CO2摩尔浓度，单位mol/L；v
L
表示液体流速，单位m/s；C0示混合区域入口处溶液内二氧化碳摩尔浓度，单位mol/L；C1表示混合区域出口处溶液内二氧化碳摩尔浓度，单位mol/L；混合区域溶液内二氧化碳的浓度通过pH计进行测量。2.根据权利要求1所述的一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，其特征在于，对于去离子水、二氧化碳体系，所加入的强碱溶液可以为NaOH、KOH等，从出口取出的混合液的体积根据强碱溶液的浓度决定，使加入混合液后强碱溶液中pH值为7～14。3.根据权利要求1所述的一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，其特征在于，所使用的PH计测量精度等级为0.01～0.1级，或者使用达到精度等级的精密PH试纸和酸碱指示剂。4.根据权利要求1所述的一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法，其特征在于，混合区域入口处气相、液相刚接触假设还未发生传质和反应，因此规定混合区域入口出二氧化碳摩尔浓度C1＝0；气液界面的CO2摩尔浓度C
*
＝H<...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莉，张荣昊，汪浩洋，任衍伦，朱维平，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：发明
国别省市：