[发明专利]一种多层次结构微通道混合器及其流体混合方法

说明书

一种多层次结构微通道混合器，包括一块基板和一块封板，基板上设有左右对称布置于流体对撞混合腔的两侧的两个进样储液室、两个入口通道、两组流体分布通道网、两组工艺流体通道、一个流体对撞混合腔、一个流体强化混合通道和一个出口缓冲室。将两种待混合的流体分别输送至两个进样储液室，两种流体各自经进样储液室进入入口通道，经多级流体分布通道分布后进入工艺流体通道，流出工艺流体通道后形成两股相向撞击流，混合后在流体对撞混合腔内的折流挡板或内构件的作用下产生涡流或二次流，最终混合后的流体混合物经出口缓冲室流出混合器。本发明的多层次结构微通道混合器具有操作条件范围宽、混合效果好、传质系数高、压降小和能耗低的优点。

技术领域

本发明属于化工设备技术领域，具体涉及一种微通道混合器，是用于均相、不互溶液-液两相和气-液两相流体间快速、高效混合的设备和方法。

背景技术

微通道混合器是指具有通道水力直径在数十微米至数毫米范围的微混合设备(W.Enrfeld,V.Hessel,H.Lowe,Microreactors：New Technology for Modern Chemistry,Wiley VCH,Weinheim,Germany,2000；Chemical Micro Process Engineering,V.Hessel,H.Lowe,Wiley VCH,Weinheim,Germany,2004)。该设备是微反应流动化学(Micro ReactionFlow Chemistry)合成系统中实现流体物料混合的关键部件，其性能直接决定化学反应的转化率、选择性、收率、能耗和产品质量等。由于微尺度的通道内流体流动的雷诺数小，处于层流状态，其物料混合过程主要依靠分子扩散。根据扩散过程理论可知，扩散时间与扩散距离的平方成正比(Cussler E.L.,Diffusion Mass Transfer in Fluid Systems,Cambridge University Press,New York,1984,52-53.)，因此一般而言，液体介质中分子的扩散传递过程较为缓慢，例如水介质中，分子扩散1μm约需1s，若扩散1mm，则需要近1000s(Miyake et al.,Micromixer with Fast Diffusion,Proceedings IEEE Micro ElectroMechanical Systems,1993,7,248-253)。因此，研究开发高效的微通道混合器及微尺度混合方法意义重大。

为了强化微尺度空间流体混合过程，常常通过改变通道的几何构型、引入外场(或外力)等方法，以增加流体间的接触面积、缩短扩散距离，产生扰动、二次涡流及混沌对流等，从而提高混合度和混合效率。微通道混合器分为两种：一种为主动式微混合器，另一种为被动式微混合器。主动式混合器是指借助外部能量对微通道内流体流场进行扰动以使得流体间接触面积增加以及分子扩散作用加剧，引发流体快速、高效地混合，最终提高混合度及混合效率，主要包括微搅拌、压力扰动、声波扰动、电驱动流体、磁驱动流体、热驱动等。主动式混合器的缺点是难以集成化，制造难度高，成本高以及工业放大困难。被动式混合器则无需外部能量源，主要通过设计改变通道几何构型来实现特定流场结构，增大流体间的有效接触面积，缩短分子扩散距离，增强对流、混沌对流或二次涡流等，从而达到提高混合度和混合性能的目的，例如常用的通道几何结构有开槽通道、流体分层流、蛇形通道、诱发混沌对流等。被动式混合器具有结构简单、方便控制、易于集成，且无需外部动力源输入等优点，得到了广泛的关注。