[发明专利]一种微分散气泡强化混合的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工技术领域，特别涉及一种微分散气泡强化混合的方法，具体地说，涉及一种利用微孔分散气泡加剧体系湍动、强化混合的方法。

背景技术

混合过程的强化是化工生产过程改进和产品品质提高的重要环节，通常情况下快速混合对于提高传递效率、保证过程安全可控具有重要意义。自20世纪90年代以来，通过微型化工器件来强化混合和安全生产的研究日益增多，目前常用的方法主要有：(1)被动式微混合-通过微结构的设计，增加流体间的接触面积，减小流体扩散距离和实现流体间对流流动；(2)主动式混合-通过外场，如电场、温度场、磁场和超声场等强化作用实现。这些方法或者受微设备结构和体系所限，对混合性能的提高有限；或者工艺复杂、成本较高。

另一方面，利用微分散气泡加剧体系湍动对于强化混合有很好的性能，体系传热传质效率高，有助于解决过程因传递限制而导致的安全性、可控性差的问题。

发明内容

本发明旨在提出一种新的强化混合的方法。其原理在于：利用流体剪切的微孔分散得到了大量尺度微小的气泡，使体系中的湍动加剧，同时保证了混合的均匀性，从而实现不同流体间的快速混合，为强化传质和反应创造条件。

本发明提供的微分散气泡强化混合的方法，将气体通过微孔，从垂直方向分散到水平流动的A流体中，气体被错流剪切成微小气泡，随A流体流动，之后B流体再通过其它微孔，从垂直方向分散到含有气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。

所述的气体不溶于A流体和B流体。

根据A流体和B流体来选择气体，只要不溶于A流体和B流体、并不与体系内各反应物和产物发生化学反应即可。以H₂SO₄溶液作为B流体，以NaOH、H₃BO₃、KI和KIO₃的溶液作为A流体时，可以采用的气体列举如下：氮气、氩气、氦气等气体。

所述的微孔当量直径为0.2～1000微米。

本发明还给出了适合的A流体的流速、B流体通过微孔的速度及气体通过微孔速度，A流体的流速为0.1～5m/s，气体通过微孔的速度为1～20m/s，B流体通过微孔的速度为0.1～5m/s。

具体的说，本发明所述方法包括如下步骤：

1)使A流体按流速0.1～5m/s流动；

2)将气体以1～20m/s的流速穿过微孔后，从垂直方向加入到水平流动的A流体中，以微小气泡的形式分散其中；

3)使B流体以0.1～5m/s的流速穿过其它微孔后，从垂直方向加入到上述已分散气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。

本发明的方法在微分散气泡加剧体系湍动的作用下，实现了A流体和B流体间的快速混合。

本发明的有益效果为：利用此方法可以强化体系混合，为强化传质和反应创造条件，其工艺成本低、处理能力大、操作简便、重复性和稳定性好。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

对比例1：

通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。这个反应体系包含一个酸碱中和反应和一个氧化反应，反应步骤如下所示：

(瞬时反应)  (1)

在上述反应中，(1)为酸碱中和反应，反应速度极快，是一个瞬时反应。反应(2)的反应动力学则比较复杂，反应速率与体系的离子强度I相关。生成的I₂迅速转化为，实验中通过紫外吸收光谱检测的浓度，可以计算得出反应(2)的反应生成量。当反应(2)发生时其收率为Y，而当混合处于完全非理想状态，(1)与(2)按化学计量比发生反应，此时收率为Y_ST，定义分隔因子X_S＝Y/Y_ST，用于表征混合性能的定量指标。对于理想的快速混合，X_S为0；而当混合速率极慢，处于完全非理想混合状态时，X_S为1。一般情况下，X_S处于0到1之间，数值越小表示混合越理想。

实验中以H₂SO₄溶液作为B流体，NaOH、H₃BO₃、KI和KIO₃的溶液作为A流体。在传统的搅拌反应器中，B直接加入A中与之混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0.13。

对比例2：