一種強(qiáng)化微反應(yīng)器內(nèi)氣液過程的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種強(qiáng)化微通道內(nèi)氣液過程的方法。在氣液兩相流形為泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流或環(huán)狀流的氣液微反應(yīng)器中施加特定頻率的超聲，調(diào)控氣液兩相流中氣相橫向等效直徑和超聲頻率，使超聲頻率與氣相橫向等效直徑的乘積達(dá)到1-40mm·kHz。本發(fā)明利用超聲與氣相的空化作用，在液體中引起擾動和聲流，從而強(qiáng)化氣液傳質(zhì)；同時可破壞流體中固體或粘稠物之間的團(tuán)聚或在微通道壁面的粘附，從而預(yù)防和疏通堵塞。本發(fā)明的氣液過程強(qiáng)化方法適用于各種氣液反應(yīng)、氣體吸收、氣體分離凈化等領(lǐng)域。
【專利說明】一種強(qiáng)化微反應(yīng)器內(nèi)氣液過程的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于化工過程強(qiáng)化方法、化工設(shè)備、超聲應(yīng)用等領(lǐng)域，具體地說是一種利用超聲強(qiáng)化微通道內(nèi)氣液傳質(zhì)、同時防止堵塞的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]微反應(yīng)器是指內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征尺寸在數(shù)微米至數(shù)毫米尺度的化工設(shè)備。這種內(nèi)部結(jié)構(gòu)通常也稱作微通道。相對于傳統(tǒng)的氣液接觸器或反應(yīng)器，例如攪拌釜、鼓泡塔、降膜接觸器等，氣液微反應(yīng)器具有比表面高、傳熱傳質(zhì)速度快、操作安全、易于放大、占地空間小等優(yōu)點。因此氣液微反應(yīng)器在氣液反應(yīng)、氣體吸收、氣體分離凈化等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]但氣液微反應(yīng)器技術(shù)也存在一些缺點。微反應(yīng)器內(nèi)的微通道尺寸小，因此容易被雜質(zhì)或者工藝流體堵塞，特別是在處理含固體或者生成固體或者粘度很大的流體時。另外，由于微通道尺寸小，流動通常處于層流狀態(tài)且表面張力作用顯著，使微通道內(nèi)氣液傳質(zhì)的強(qiáng)化比較困難。
[0004]目前，微通道內(nèi)氣液過程的強(qiáng)化方法主要是將微通道設(shè)計成彎折、障礙、碰撞等結(jié)構(gòu)來增強(qiáng)氣液的相對運(yùn)動，并在局部引起潤流來強(qiáng)化傳質(zhì)。J.Tan等(J.Tan, Masstransfer performance of gas - liquid segmented flow in microchannels, ChemicalEngineering Journal 181 - 182(2012)229 - 235)將微通道設(shè)計成圓弧形來強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，發(fā)現(xiàn)曲率半徑為1mm的微通道相對直通道傳質(zhì)系數(shù)提高了 2-3倍。Maria Jose NievesRemacha 等(Mari a Jose Nieves-Remacha, Gas-Liquid Flow and Mass Transfer in anAdvanced-Flow Reactor, Ind.Eng.Chem.Res.2013, 52, 8996-9010)測試了美國康寧公司專利PCT101873890A所述的心形結(jié)構(gòu)的微反應(yīng)器強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)氣液傳質(zhì)系數(shù)比傳統(tǒng)攪拌釜高一個數(shù)量級。
[0005]以上這些將微通道設(shè)計成彎曲障礙等結(jié)構(gòu)來強(qiáng)化氣液傳質(zhì)的方法在一些場合可以達(dá)到比較好的結(jié)果。但該方法一般只適用于流速比較高的場合，在流速比較低時傳質(zhì)效果比較差。另外，將微通道設(shè)計成彎曲障礙等結(jié)構(gòu)使微通道更容易堵塞。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了深入研究。發(fā)現(xiàn):如果在氣液微反應(yīng)器中施加超聲，利用超聲與氣相的空化作用，使微通道內(nèi)的氣液相界面劇烈振動和運(yùn)動，并在液體中引起擾動和聲流，從而能有效強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。輸入的超聲聲強(qiáng)越大，氣液傳質(zhì)效果越好。氣液傳質(zhì)效果主要由聲強(qiáng)大小來控制，不管在高流速還是低流速，都可以達(dá)到很強(qiáng)的傳質(zhì)效果。另外，超聲作用下微通道壁面的振動和氣液相界面劇烈振動所引起擾動，可破壞流體中固體或粘稠物之間的聚集以及固體或粘稠物在微通道壁面的粘附，從而可以預(yù)防和疏通堵塞。因此，這種利用超聲強(qiáng)化氣液過程的方法流速適用范圍寬、能有效強(qiáng)化傳質(zhì)、還可以防止和疏通微通道的堵塞。
[0007]本發(fā)明基于上述研究和解析提出以下技術(shù)方案:
[0008]在氣液微反應(yīng)器中施加特定頻率的超聲，使微通道內(nèi)氣液兩相的氣液相界面在超聲空化作用下劇烈振動運(yùn)動。其中，氣液兩相流形選擇為泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流及環(huán)狀流中的一種。
[0009]在所述的氣液微反應(yīng)器中，氣液兩相流形中的氣相，其橫向等效直徑為10-5000 μ m ;施加的超聲頻率為16-600kHz。超聲頻率f與氣相橫向等效直徑d的匹配關(guān)系為 f*d=1 -40mm.kHz,優(yōu)選 f*d=4_30mm.kHz。
[0010]氣液兩相流形在化學(xué)工程領(lǐng)域是一個公知的概念，是指氣相于液相中形狀。在微反應(yīng)器中，泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流及環(huán)狀流是最常見的幾種氣液兩相流形。
[0011]所述的氣相橫向等效直徑為氣液流形中氣相在垂直于流動方向上的截面等效直徑。當(dāng)氣液兩相流形為泡狀流時，截面等效直徑即為氣泡的直徑；氣泡直徑和數(shù)量可由氣液兩相的流速來調(diào)控；當(dāng)氣液兩相流形為彈狀流、彈狀環(huán)狀流時，氣相的截面等效直徑主要由微通道的橫截面尺寸來調(diào)控；當(dāng)氣液兩相流形為攪拌流及環(huán)狀流時，氣相的橫向截面等效直徑由微通道的橫截面尺寸和氣液兩相的流速同時來調(diào)控。
[0012]在所述的氣液微反應(yīng)器中，可以將超聲換能器粘接在微反應(yīng)器外表面，使超聲傳導(dǎo)進(jìn)入微反應(yīng)器；也可以將超聲換能器集成在微反應(yīng)器內(nèi)部，使超聲直接傳導(dǎo)進(jìn)入微通道；還可以將整個微反應(yīng)器放入超聲清洗槽中。
[0013]本方法利用超聲與氣相的空化作用，使微通道內(nèi)的氣液界面劇烈振動和運(yùn)動，并在液體中引起擾動和聲流，從而能有效強(qiáng)化氣液傳質(zhì)。輸入的超聲的聲強(qiáng)越大，氣液傳質(zhì)效果越好。在一定的聲強(qiáng)下，當(dāng)超聲頻率f與氣相橫向最小尺寸滿足上述的匹配關(guān)系時，超聲與氣相達(dá)到共振，此時氣液界面振動和運(yùn)動最劇烈，在液體中引起的擾動和聲流最顯著，因此氣液傳質(zhì)強(qiáng)化效果最好。高于或者對于該匹配關(guān)系，超聲與氣相不能達(dá)到共振，此時氣液界面振動和運(yùn)動較弱，強(qiáng)化效果較差。
[0014]本方法可應(yīng)用于氣液兩相流形為彈狀流或環(huán)狀流時，采用頻率16-600kHz和聲強(qiáng)高于0.5ff/cm2的超聲進(jìn)行氣體吸收的氣液過程強(qiáng)化。
[0015]本方法可應(yīng)用于氣液兩相流形為彈狀流時，采用頻率16-600kHz和聲強(qiáng)高于
0.5ff/cm2的超聲進(jìn)行涉及固體的氣液反應(yīng)過程的強(qiáng)化。
[0016]本方法可以應(yīng)用于各種氣體吸收過程的強(qiáng)化，例如二氧化碳、二氧化硫等氣體的物理吸收、化學(xué)吸收過程。也可以應(yīng)用于各種氣液化學(xué)反應(yīng)過程，特別是涉及固體的反應(yīng)過程。所謂涉及固體的反應(yīng)過程，是指有固體作為反應(yīng)物、催化劑等參與反應(yīng)，或生成產(chǎn)物中有一部分為固體的反應(yīng)過程。
[0017]本發(fā)明在彈狀流和環(huán)狀流下，通過施加頻率20千赫茲的超聲，可見氣液傳質(zhì)系數(shù)提高大約9倍，氣體吸收率大幅提高。本發(fā)明還可以用于強(qiáng)化涉及固體的氣液反應(yīng)，可以有效防止和疏通堵塞。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明所有實施例所用的微通道結(jié)構(gòu)示意圖。其中，I為液體入口通道，2為氣體入口通道，3為主通道。
[0019]圖2為本發(fā)明實施例3中微通道的壓降變化曲線。

【具體實施方式】
[0020]下面通過實施例來進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0021]下述所有實施例所涉及的微反應(yīng)器為單通道微反應(yīng)器，微通道結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中，I為液體入口通道，2為氣體入口通道，兩者深皆為ΙΟΟΟμπκ寬500μπι。3為主通道，即氣液過程通道，主通道深1000 μ m寬1000 μ m,長度90mm。
[0022]實施例1氣液物理吸收過程強(qiáng)化
[0023]本實施例以在氣液微反應(yīng)器中利用超聲強(qiáng)化物理吸收過程為例。在微通道的液體入口通道I通入去離子水，流量為2ml/min，在氣體入口通道2中通入純二氧化碳，流量為
1.65ml/min。如圖2所示，通入的氣體在主通道3中形成連續(xù)的彈狀流，氣泡的橫向等效直徑約1000 μ m。未加超聲時，由于二氧化碳被水的吸收，吸收率為26.7%。當(dāng)施加工作頻率20千赫茲、聲強(qiáng)1.5ff/cm2的超聲時,氣液傳質(zhì)加快,二氧化碳的吸收率為56.3%。根據(jù)傳質(zhì)模型可計算氣液總體積傳質(zhì)系數(shù)，發(fā)現(xiàn)未加超聲時總傳質(zhì)系數(shù)為0.1Os'加超聲后總傳質(zhì)系數(shù)增加到0.87s-1，提高了大約9倍?？梢姵晫庖簭棤盍鱾髻|(zhì)的強(qiáng)化效果明顯。
[0024]實施例2氣液化學(xué)吸收過程強(qiáng)化
[0025]本實施例以在氣液微反應(yīng)器中利用超聲強(qiáng)化化學(xué)吸收過程為例。在微通道的液體入口通道I通入質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的一乙醇胺MEA (分子式NH2CH2CH2OH)溶液，流量lml/min，在氣體入口通道2中通入10%二氧化碳?xì)怏w(平衡氣為氮氣)，流量20ml/min，通入的氣體在主通道3中形成環(huán)狀流，氣相的橫截面直徑約900 μ m。氣體和MEA溶液通入主通道3后，相互接觸傳質(zhì)并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)使二氧化碳被MEA溶液化學(xué)吸收。反應(yīng)器出口反應(yīng)完的物料用常用的氣液分離罐進(jìn)行氣液分離，并用二氧化碳分析儀測量氣體中二氧化碳的濃度，則可計算二氧化碳的吸收率。未加超聲時，二氧化碳吸收率為55.1%。當(dāng)施加工作頻率18千赫茲、聲強(qiáng)1.5ff/cm2的超聲時，吸收率提高到89.3%?？梢姵晱?qiáng)化氣液傳質(zhì)效果明顯。
[0026]實施例3、生成固體的氣液反應(yīng)過程強(qiáng)化
[0027]本實施例以在氣液微反應(yīng)器中利用超聲強(qiáng)化生成固體的氣液反應(yīng)過程為例。在微通道的液體入口通道I通入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的(NH4)2SiF6溶液，流量10ml/min，在氣體入口通道2中通入純NH3氣體，流量10ml/min。(NH4)2SiF6溶液和NH3氣體通入主通道3后，形成彈狀流，并相互接觸傳質(zhì)、發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成氧化硅固體顆粒。未加超聲時，主通道3內(nèi)生成的氧化硅固體顆粒沉積在通道壁面，并隨時間推移越積越多，壓降隨之逐漸增大。大約15分鐘后通道3堵塞，壓降升高到0.95MPa (見圖2)，反應(yīng)器出口沒有流體流出。此時，給反應(yīng)器施加頻率25千赫茲、聲強(qiáng)為1.5ff/cm2的超聲，反應(yīng)器的壓降立即下降到0.03MPa，反應(yīng)器出口立即有流體流出。在該超聲的作用下，反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行5小時未見明顯的壓力波動，壓力一直在0.03-0.05MPa?？梢娫摲椒ù_實能有效預(yù)防和疏通微通道堵塞。
【權(quán)利要求】
1.一種強(qiáng)化微反應(yīng)器內(nèi)氣液過程的方法,在氣液微反應(yīng)器中施加特定頻率超聲，使微通道內(nèi)氣液兩相的相界面在超聲空化作用下劇烈振動運(yùn)動，其特征在于:氣液兩相流形為泡狀流、彈狀流、彈狀環(huán)狀流、攪拌流及環(huán)狀流中的一種，氣液兩相流形中的氣相，其橫向等效直徑為10-5000 μ m ;施加的超聲頻率為16-600kHz。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:所述的在氣液微反應(yīng)器中施加的超聲，超聲頻率f與氣相橫向等效直徑d的匹配關(guān)系為f*d=l-40mm.kHz。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于:所述的在氣液微反應(yīng)器中施加的超聲，超聲頻率f與氣相橫向等效直徑d的匹配關(guān)系為f*d=4-30mm.kHz。
4.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一所述的方法，其特征在于:氣液兩相流形為彈狀流或環(huán)狀流，采用頻率16-600kHz和聲強(qiáng)高于0.5ff/cm2的超聲進(jìn)行氣體吸收的氣液過程強(qiáng)化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1?3任一所述的方法，其特征在于:氣液兩相流形為彈狀流，采用頻率16-600kHz和聲強(qiáng)高于0.5ff/cm2的超聲進(jìn)行涉及固體的氣液反應(yīng)過程的強(qiáng)化。
【文檔編號】B01J19/10GK104162395SQ201410109267
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】陳光文, 董正亞, 袁權(quán) 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所