论文总字数：18173字

摘 要

微化工技术作为一项新型技术，由于其特殊的优势已经引起研究者的广泛关注。对于有固体生成的反应，往往很难在微反应器中进行，为了解决这个难题，我们想到在反应体系中引入气体，以推动固体前进。但是，我们必须解决在多个混合器中，在气体存在的情况下，液体可以恰好融合的的问题。本研究主要分为两个部分:首先，室温下以甲基橙水溶液为液相，以氮气为气相，用自制1mm（id）T形混合器混合，观察1mm（id）FEP延长管中气液嵌断情况；接下来以亚甲基蓝水溶液作为第二个液相，观察在第二个自制1mm（id）T形混合器内，亚甲基蓝与甲基橙的融合情况。通过研究，我们得到了在一定条件下两液相能够融合的规律。

关键词： 微反应器 气液 液液融合 T形混合器

Study on gas liquid fusion in micro mixer

Abstract

As a new technology, the micro chemical technology, because of its special advantages, now it cause widely attention from lots of researchers. For the reaction of solid formation, it is often difficult to carry out in the microreactor, in order to solve this problem, we think of the introduction of gas in the reaction system to promote the solid forward. However, we have to solve the problem that the liquid can be fused in the presence of gas in multiple mixers. This research is divided into two parts: Firstly, at room temperature, with methyl orange solution as liquid phase, with nitrogen as gas phase, through 1mm (id) T-shaped mixing，observed 1mm (id) FEP extension tube gas block. Then, with methylene blue water solution as the second liquid phase, In the observation of second homemade 1mm (id) T-type mixer, fusion of methylene blue and methyl orange. By studying, we got the law of the fusion of two liquid phase under certain conditions.

Keywords: Microreactor gas-liquid Liquid liquid fusion T-shaped mixer

目 录

摘要 II

Abstract III

目 录 IV

第一章 文献综述 1

1.1 研究现状 1

1.2 微通道特性 2

1.2.1 尺度划分 2

1.2.2 尺寸效应 3

1.3 微通道内气液两相流 3

1.3.1 泡状流（bubbly flow） 3

1.3.2 弹状泡状流（slug-bubbly flow） 4

1.3.3 非稳态弹状流（unstable slug flow） 4

1.3.4 弹状流（slug flow） 4

1.3.5 弹状-环状流（slug-annular flow） 4

1.3.6 环状流（annular flow） 4

1.3.7 搅拌流（churn flow） 4

1.4 影响微通道内液-液两相流型的因素 5

1.5 研究目的与内容 6

第二章 实验部分 7

2.1 主要实验仪器 7

2.2 实验试剂 7

2.3 实验过程及装置 7

2.3.1 单个T型通道 7

2.3.2 两个T型通道 8

第三章 结果与讨论 9

3.1 单个T型通道 9

3.1.1气液流速比与气液体积比之间关系 9

3.2 两个T型通道 12

第四章 结论 16

参考文献 17

致谢 20

第一章 文献综述

1.1 研究现状

随着整个经济社会不断快速发展，国际社会已经在在环境、资源和发展等问题达成了可持续发展的共识，我们要努力将资源、环境、人口和发展的关系协调好，为人类社会世世代代的生存和发展进步打下坚实的基础。在人类社会发展过程中，人们越来越能深刻感受到化工产业及其相关产业作为国民经济支柱产业在人类生产活动中排放出大量有害物质，对环境造成了严重的污染，同时也经常会造成大量的安全事故。为了应付化工产业频发的污染事故以及经常发生的安全事故，建立完善的应急机制是相当重要的。但与这种事后采取措施阻止环境污染事故以及扩大安全事故相比，实现对化工生产过程的最根本性变革无疑是更具有远见性与主动性的方法，这样才能能够有效地化被动为主动，真正地防范于未然。所以，我们接下来的工作就是对化工产业实行根本性的改革。

微观混合是分子尺度上的混合，它对燃烧、聚合、有机合成、沉淀、结晶等快速反应过程有着重要的影响。其原因在于快速反应体系需要短的停留时间和高强度的局部混合以避免分子尺度上的离集。微观混合不但影响这些化学反应的转化率和选择性，同时也影响产物的性质和质量。微通道内的流体特性与常规尺度下表现出来的特性有很大区别，主要是因为在微通道内流体间的表面张力、润湿性等占主导地位。气液两相流在化学、化工、能源等方面应用很广，而微通道内的气液两相流越来越为人们所关注。

当气液两相流经过T 形三通时，气体和液体会选择各自的优先路径，造成主管路与支管路中的含气率不同，这种现象称为相分配不均。随着微电机系统( MEMS) 概念的提出，微化工技术已经成为化学工程领域的发展趋势之一^[1,2]。T 型微通道内相分配特性的研究显得越来越重要。比如空调制冷设备中的蒸发器和冷凝器，燃料电池周围配置水力半径为微米级的热交换器。对于微型换热设备来说，两相流分配不均会使得支管路中缺少液体，造成传热恶化，威胁下游设备的正常运行，降低设备的工作效率甚至损毁^[3]。

微通道的空间组织形式对反应器性能有较大影响，开发新型高效的微通道网络结构是当前微反应器技术发展的重要方向^[4]。近年来，一些学者^[5-10]借鉴生物组织形态学原理，利用仿生学方法构建高效微流体通道网络结构, 所构造的网络具有树状分形结构特征，网络中管道彼此交错, 相互融合，层层编织。目前已认识到，仿生网络不仅能够有效地降低流动阻力^[10]，还能增大流体与壁面的接触面积，利于强化换热^[5-7] 。仿生网络的最基本特征是含有大量T型微通道，了解T 形通道中的流体混合规律， 对掌握仿生网络的混合特性。进而应用仿生网络作为一种有效的微混合构型至关重要。Eng ler 等^[11] 研究了单级T 形微通道内的混合，发现随着Reynolds 数( Re) 的改变。微通道内流体的混合效率呈现阶跃变化；So leymani 等^[12] 对不同通道深宽比的单级T 混合器进行了CFD 模拟，并通过酸碱中和反应定量测量了混合效率，Gobby 等^[13] 进一步考察了T 通道夹角对混合效率的影响，给出了T形结构中混合长度计算方法; Bothe 等^[14] 和Wong等^[15] 通过流动显示,拍摄了单级T 型微通道中的流型变化；赵玉潮等^[16]以Villermaux-Dushman 快速平行竞争反应为模型体系，实验考察了T形微通道内的微观混合， 研究了流道结构、流道长度及流量比等对微通道内流体混合的影响。

1.2 微通道基本理论

微通道反应器，从机械尺度上划分，1μm 到 1mm 之间为微型（micro）反应器。在微尺度下，微通道内的流体力学特征和传质特性都将发生很大的变化，单位面积上的传热、传质能力增强，可达到 25000 W m^-2K^-1，较常规微通道大 1~2个数量级。微通道反应器的比表面积也大幅提高，一般可达 10000~50000 m²m^-3，而传统的容器比表面积一般不超过 1000 m²m^-3[17]。因此微反应器传热和传质面积的提高，可以获得很高的传递速率，这对于一些强放热反应而言，微通道的优势就很明显了。微通道中进行的是连续流动反应，因此可精确的控制物料在反应中的停留时间分布，加上微通道中对反应物的用量大大减小，反应时间加快，控制精度提高，能够有效避免因反应时间长而产生的反应副产物。由于微通道比表面积的增大，使得反应的热量可以在短时间内释放，这样就会避免局部过热现象，反应温度可以达到精确控制。对于反应物配比要求严格的快速反应，在常规尺度下，如果搅拌不均匀就会有副产物生成，但是在微通道中进行反应就可以精确的控制物料按比例瞬时混合。

1.2.1 尺度划分

研究微通道内流体的流动行为，首先要阐明关于通道尺度的划分问题，但是对于这

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