[发明专利]一种便捷低成本测量微反应器气液总传质系数的方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及气液传质领域，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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

本发明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，本发明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。

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：

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_La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表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。

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。

进一步地，整个测量过程在室温下进行。