[发明专利]一种强化微反应器内气液过程的方法

说明书

技术领域

本发明属于化工过程强化方法、化工设备、超声应用等领域，具体地说是一种利用超声强化微通道内气液传质、同时防止堵塞的方法。

背景技术

微反应器是指内部结构特征尺寸在数微米至数毫米尺度的化工设备。这种内部结构通常也称作微通道。相对于传统的气液接触器或反应器，例如搅拌釜、鼓泡塔、降膜接触器等，气液微反应器具有比表面高、传热传质速度快、操作安全、易于放大、占地空间小等优点。因此气液微反应器在气液反应、气体吸收、气体分离净化等领域有广泛的应用前景。

但气液微反应器技术也存在一些缺点。微反应器内的微通道尺寸小，因此容易被杂质或者工艺流体堵塞，特别是在处理含固体或者生成固体或者粘度很大的流体时。另外，由于微通道尺寸小，流动通常处于层流状态且表面张力作用显著，使微通道内气液传质的强化比较困难。

目前，微通道内气液过程的强化方法主要是将微通道设计成弯折、障碍、碰撞等结构来增强气液的相对运动，并在局部引起涡流来强化传质。J.Tan等（J.Tan,Mass transfer performance of gas–liquid segmented flow in microchannels,Chemical Engineering Journal181–182(2012)229–235）将微通道设计成圆弧形来强化气液传质，发现曲率半径为10mm的微通道相对直通道传质系数提高了2-3倍。María Jose Nieves Remacha等（María Jose Nieves-Remacha,Gas-Liquid Flow and Mass Transfer in an Advanced-Flow Reactor,Ind.Eng.Chem.Res.2013,52,8996-9010）测试了美国康宁公司专利PCT101873890A所述的心形结构的微反应器强化气液传质的结果，发现气液传质系数比传统搅拌釜高一个数量级。

以上这些将微通道设计成弯曲障碍等结构来强化气液传质的方法在一些场合可以达到比较好的结果。但该方法一般只适用于流速比较高的场合，在流速比较低时传质效果比较差。另外，将微通道设计成弯曲障碍等结构使微通道更容易堵塞。

发明内容

为了解决上述问题，本发明人进行了深入研究。发现：如果在气液微反应器中施加超声，利用超声与气相的空化作用，使微通道内的气液相界面剧烈振动和运动，并在液体中引起扰动和声流，从而能有效强化气液传质。输入的超声声强越大，气液传质效果越好。气液传质效果主要由声强大小来控制，不管在高流速还是低流速，都可以达到很强的传质效果。另外，超声作用下微通道壁面的振动和气液相界面剧烈振动所引起扰动，可破坏流体中固体或粘稠物之间的聚集以及固体或粘稠物在微通道壁面的粘附，从而可以预防和疏通堵塞。因此，这种利用超声强化气液过程的方法流速适用范围宽、能有效强化传质、还可以防止和疏通微通道的堵塞。

本发明基于上述研究和解析提出以下技术方案：

在气液微反应器中施加特定频率的超声，使微通道内气液两相的气液相界面在超声空化作用下剧烈振动运动。其中，气液两相流形选择为泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流及环状流中的一种。

在所述的气液微反应器中，气液两相流形中的气相，其横向等效直径为10-5000μm；施加的超声频率为16-600kHz。超声频率f与气相横向等效直径d的匹配关系为f*d=1-40mm·kHz，优选f*d=4-30mm·kHz。

气液两相流形在化学工程领域是一个公知的概念，是指气相于液相中形状。在微反应器中，泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流及环状流是最常见的几种气液两相流形。

所述的气相横向等效直径为气液流形中气相在垂直于流动方向上的截面等效直径。当气液两相流形为泡状流时，截面等效直径即为气泡的直径；气泡直径和数量可由气液两相的流速来调控；当气液两相流形为弹状流、弹状环状流时，气相的截面等效直径主要由微通道的横截面尺寸来调控；当气液两相流形为搅拌流及环状流时，气相的横向截面等效直径由微通道的横截面尺寸和气液两相的流速同时来调控。

在所述的气液微反应器中，可以将超声换能器粘接在微反应器外表面，使超声传导进入微反应器；也可以将超声换能器集成在微反应器内部，使超声直接传导进入微通道；还可以将整个微反应器放入超声清洗槽中。