微混合器研究进展

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研究论文 T形微混合器内的混合特性

研究论文 T形微混合器内的混合特性

第57卷 第8期 化 工 学 报 Vol 157 No 18 2006年8月 Journal of Chemical Industry and Engineering (China ) August 2006研究论文T 形微混合器内的混合特性赵玉潮1,2,应 盈1,2,陈光文1,袁 权1(1中国科学院大连化学物理研究所,辽宁大连116023;2中国科学院研究生院,北京100049)摘要:以Villermaux 2Dushman 快速平行竞争反应为模型体系,研究了宽600μm 、深300μm 的T 形微通道内的微观混合特性,着重考察了不同进出口结构、微通道长度、体积流量比等对微通道内流体微观混合效果的影响.实验结果表明:P éclet 数在710×106~210×108之间,无返混;体积流量比愈小,离集指数X s 愈小,微观混合效果愈好.不同进出口结构尺寸、体积流量比对微观混合的影响取决于Reyonlds 数的大小,Re <Re c 时,影响较大,且随Re 增加,X s 减小,微观混合效果愈好;Re >Re c 时,X s 趋于定值,约为217×10-4,接近理想微观混合效果.关键词:微混合器;微观混合;微通道;微反应器中图分类号:TQ 032 文献标识码:A 文章编号:0438-1157(2006)08-1884-07Characterization of micro 2mixing in T 2shaped micro 2mixerZH AO Y uchao 1,2,Y I NG Y ing 1,2,CHE N G uangwen 1,Y UAN Quan 1(1Dalian I nstitute of Chemical Physics ,Chinese A cadem y of S ciences ,Dalian 116023,L iaoning ,China;2Graduate S chool of Chinese A cadem y of S ciences ,B ei j ing 100049,China )Abstract :The Villermaux 2Dushman fast parallel competing reaction was used to determine quantitatively t he micro 2mixing performance in t he T 2shaped micromixer wit h 600μm widt h and 300μm dept h 1The flow was almost ideal plug flow in t he Reynolds number range 55—1600and it s corresponding P éclet number ranged fro m 710×106to 210×1081The effect s of inlet and outlet scale ,micro 2channel lengt h ,volumet ric flow ratio on t he micro 2mixing performance were st udied in detail 1The micro 2mixing performance was expressed wit h segregation index ,X s 1The smaller t he X s ,t he better t he micro 2mixing.The experimental result s showed t hat X s increased wit h increasing volumetric flow ratio at t he same Re 1There existed a critical Re c under t he condition of different inlet and outlet geomet ric st ruct ures 1X s decreased wit h increasing Re when Re <Re c ,while X s reached about 217×10-4and remained constant when Re >Re c ,indicating t hat almo st perfect mixing in t he T 2sharped micro 2mixer was achieved.Key words :micro 2mixer ;micro 2mixing ;micro 2channel ;micro 2reactor 2006-02-21收到初稿,2006-05-08收到修改稿.联系人:陈光文.第一作者:赵玉潮(1979—),男,博士研究生.基金项目:国家自然科学基金项目(20176057,20490208);国际科技合作重点项目计划项目(2001CB711203).引 言混合是化工过程中的重要单元,混合效果直接影响后续过程效率.微混合器是微化工系统的重要 Receieved date :2006-02-21.Corresponding author :Prof.CH EN Guangwen.E -mail :gwchen @dicp 1ac 1cnFoundation item :supported by the National Natural Science Foundation of China (20176057,20490208)and the K ey Program for International Cooperation of Science and T echnology (2001CB711203).组成部分[1],与常规混合器相比,微混合技术可实现流体间的快速、均匀混合,具有常规混合技术不可比拟的优势.应用微混合器可实现强放热和快速反应过程的强化与微型化,如硝化[2]、直接氟化[3]、氧化[4]、加氢[5]、纳米粉体制备[6]等过程,近十几年来已引起国内外学者的广泛关注[728].微混合器依结构可分为多种型式,其中T形微混合器是一种使两股流体混合均匀的最为简单的混合器之一[9].对T形微混合器内流体的混合情况已有研究报道,G obby等[10]用CFD方法考察了黏度、微通道尺度和操作条件等对两气相间混合特性的影响;B kenkamp等[11]利用“湍流”机理设计了一种T形微混合器;在层流区域内,Engler 等[12]根据Reynolds数大小将微通道内流体流型划分为3种情况,即严格层流、涡流和席卷流,并认为席卷流能够进一步强化流体间的混合;Wong 等[13]使用物理显色的方法研究了微通道内的混合效果;Hoff mann等[14]利用μ2L IF和μ2PIV技术研究了T形微混合器内流体混合情况.关于化学法测定微反应器内混合效果,也曾有不少学者进行了研究[15217],但由于微通道内流体混合的复杂性,至今仍在继续深入和发展,尤其是进出口结构尺寸对混合效果的影响迄今未见报道.本文利用化学法(Villermaux2Dushman快速平行竞争反应)研究了T形微通道内分子尺度上的混合特性,即微观混合,考察了不同Reynolds 数下微混合器的进出口结构尺寸对微观混合产生的影响,并以在微混合器内合成CuO细颗粒来验证其混合效果,为微混合器的结构优化设计提供依据.1 工作体系简介工作体系采用Fournier等[18219]提出的应用于间歇式搅拌釜反应器的Villermaux2Dushman快速平行竞争反应体系,Guichardon等[20221]对这一定量描述反应器内微观混合特性的方法进行了深入研究,经巧妙改进并将其应用于连续式反应器.H2BO-3+H+H3BO3(1) 5I-+IO-3+6H+3I2+3H2O(2)I2+I-I-3(3)其中,式(1)为酸碱中和瞬间反应,反应特征时间小于微观混合特征时间;式(2)为氧化还原快速反应,其反应特征时间与微观混合特征时间在同一量级.微观混合均匀,则只进行反应(1);混合不均匀,反应(2)将同时发生,生成的I2继续与I-发生反应生成I-3.I-3浓度用紫外分光光度计(波长353nm)检测,进而计算出生成的I2,用以表示混合器内流体的混合效果.对碘原子进行物料衡算[I-]=[I-]0-53([I2]+[I-3])-[I-3](4)对反应(3)K3=[I-3][I2][I-](5)其中K3为反应(3)的平衡常数lg K3=555T+71355-21575lg T(6)由式(4)和式(5)得-53[I2]2+([I-]0-83[I-3])[I2]-[I-3]K3=0(7)由离集指数X s定量表征微观混合效果X s=YY ST=2V1([I2]+[I-3])V2[H+]0×6[IO-3]0+[H2BO-3]06[IO-3]0(8)其中,Y为反应(2)消耗掉的酸量与总体消耗掉的酸量之比,Y ST为完全离集时的Y值Y=2V1([I2]+[I-3])V2[H+]0(9)Y ST=6[IO-3]06[IO-3]0+[H2BO-3]0(10)当X s=0,完全混合均匀;X s=1,完全离集; 0<X s<1,为部分混合.连续式反应系统中的微观混合效果若用X s定量表示,则I-/IO-3/H2BO-3溶液与硫酸溶液体积的流量比应满足3V1[IO-3]0V2[H+]0=c1(11)V1[H2BO-3]0V2[H+]0=c2(12)式中 c1、c2为常数.2 实验部分211 药品和仪器碘化钾、碘酸钾、硼酸、氢氧化钠、浓硫酸、邻苯二甲酸氢钾、硝酸铜、碳酸钠均为分析纯(沈阳联邦试剂厂);最大流量为30ml・min-1的柱塞式平流泵四台(北京卫星厂);J ASCO V2550紫外分光光度计(日本);Malvern Zetasizer3000HSA 纳米粒度仪.212 实验装置图1为实验流程图,图2为T形微混合器内部结构示意图,其中a、b为孔径为210mm的入・5881・ 第8期 赵玉潮等:T形微混合器内的混合特性口,d 、e 孔径为015mm ,f 、g 为孔径为210mm 的出口,c 2d 、d 2e 、e 2g 间距分别为15、30、15mm.微混合器的材质为PMMA ,经精密数控机床加工而成,通道宽600μm 、深300μm.Fig 11 Schematic diagram of experimental setup1—pump ;2—check valve ;3—T 2shaped micromixerFig 12 Structure of T 2shaped micromixer213 标准曲线根据Beer 2Lambert 定律,吸光度(A )与光通过的液层厚度与浓度乘积呈正比,即A =k [I -3](13)式中 k 为包括液层厚度在内的比例系数,m 3・mol -1.配制一组不同浓度的I 22KI 混合溶液,测其吸光度,吸光度A 与[I -3]的关系式为(结果见图3)A =25144[I -3](14)214 溶液配制标准NaO H 溶液配制:以邻苯二甲酸氢钾进行标定.浓硫酸稀释:将浓硫酸稀释成浓度为01018、01036、01144、0118mol ・L -1的标准溶液(用NaO H 溶液标定).配制H 3BO 3、NaO H 、KI 、KIO 3混合溶液:其溶质浓度分别为0125、01125、010116、0100233mol ・L -1.分别配制浓度均为015mol ・L -1的Cu (NO 3)2和Na 2CO 3溶液.实验均采用煮沸过的去离子水.Fig 13 Relationship between absorbance and [I -3]215 分析方法实验在20~22℃、100kPa 下进行,采用紫外分光光度计测量溶液的吸光度(波长353nm ),利用式(11)计算I -3浓度.为减少实验误差,整个测量过程于8s 内完成,待取得3个稳定值后,开始记录数据.CuO 颗粒的粒径分布由Malvern Zetasizer 3000HSA 纳米粒度仪测量.3 结果与讨论311 宏观混合特性宏观混合对平行竞争反应的影响,可通过停留时间分布曲线考察,即返混程度影响;Pe 由式(15)计算Pe =u m L D(15)式中 u m 为微通道内流体平均速度,m ・s -1;L 为混合通道长度,m ;D 为扩散系数,10-5cm 2・s -1(通常液体的扩散系数在10-5m 2・s -1量级).本实验条件下,Pe 在710×106~210×108之间,可认为无返混,即宏观混合影响较小.因此,可认为该T 形微混合器为理想平推流反应器.312 微通道入口结构尺寸的影响将等体积流量的硫酸溶液和I -/IO -3/H 2BO -3溶液,分别流经入口a 和b ,出口f ;入口a 与d ,出口g 的两段通道,X s 与Re 的关系如图4所示.Re 由式(16)表示Re =d H u m ρμ(16)式中 d H 为通道的水力当量直径,m ;ρ为混合溶液密度,kg ・m-3;μ为黏度,10-3Pa ・s.由图4可知,存在一个使X s 产生骤变的临界值Re c (Re c ≈400).Re <Re c 时,入口结构对离集指数X s 有较大影响,即大孔径入口的X s 值大于・6881・化 工 学 报 第57卷 Fig 14 Effect of inlet dimension on segregation index小孔径的X s 值;为了定性地描述Re 对混合效果的影响,特采用CCD 摄像系统对流体混合过程进行拍摄,结果见图5.由图5可知,入口为a 和b ,当Re 较低时(Re <400),两流体呈并流流型,且两流体界面较为明显,混合效果较差;随Re 的增加,两相间界面开始出现波动,并最终达到混合均匀.而在入口为a 和d 的情况下,当Re 较低时,尽管两流体界面较为明显,但由于流体呈环状流型,接触面积至少为并流流型时的2倍,使流体间混合得以强化,与入口为a 和b 时相比,微观混合效果得到明显改善,与图4中X s 的急剧减小相一致.但当Re 极小时,从图5可看到两流体基本呈完全分离状态,但其离集指数X s 却很小,说明出口对混合起到了一定的强化作用;当Re >Re c 时,可以看到流体间界面已不明显,混合亦接近均匀,具体表现为离集指数X s 趋于定值,约为217×10-4,接近完全微观混合的程度,即当Re >Re c时,入口结构尺寸对微观混合效果无影响.Fig 15 T wo liquid flow patterns under different feed inlets(a )inlet s a and b ,outlet f ;(b )inlet s a and d ,outlet g313 微通道出口结构尺寸的影响将等体积流量的硫酸溶液和I -/IO -3/H 2BO -3溶液,分别流经入口a 和b ,出口分别为e 和f ,X s与Re 间的关系如图6所示.由图可知,同样存在一个使X s 产生骤变的临界值Re c (Re c ≈400),Re <Re c 时,出口几何结构对离集指数X s 有较大影响,即大孔径出口的X s 大于小孔径的X s ;由于在相同体积流量下,流体流经小孔时,其流速为大孔的16倍,在小孔通道内能够产生较大强度的涡流或卷吸流,进一步强化流体间混合,使微观混合效果增加,表现为X s 的急剧减小;而当Re >Re c 时,X s 趋于定值,约为217×10-4,即微观混合均匀,此时出口结构尺寸对微观混合效果无影响.Fig 16 Effect of outlet dimension on segregation index314 T 形微通道长度对微观混合效果的影响将等体积流量的硫酸溶液和I -/IO -3/H 2BO -3溶液,分别流经入口为a 与b ,出口分别为f 和g ,混合通道长度分别为45mm 和60mm ,X s 与Re 的关系示于图7.结果显示X s 几乎不随通道长度而变,由于此时的进出口结构尺寸完全一致,说明微通道长度(L/d H >100,流体已充分发展)对流体混合效果影响很小;但同样存在一个使X s 发生骤变的临界Reynolds 数Re c (Re c ≈400);当Re <Re c 时,随Re 增大,流体界面扰动增强,两流体接触面积增加,强化了混合,因此X s 随Re 增加而减小;当Re >Re c 时,由于两流体能够迅速混合均匀,即离集指数X s 不随Re 变化.许多研究者发现在微通道内流体流动的转捩提前[22224],即层流向湍流过渡时,Re 在300~900之间,Re >Re c 时,此时为层流向湍流转变的过渡流动,进一步促进流体间的混合.315 体积流量比对微观混合效果的影响酸浓度取值由式(11)与式(12)确定,入口为a 与b ,出口为g ,实验结果如图8所示.离集・7881・ 第8期 赵玉潮等:T 形微混合器内的混合特性Fig 17 Effect of microchannel lengthon segregation indexFig 18 Effect of volume flow ratioon segregation index指数X s 随Re 增加而减小,最后趋于定值,且在每个操作条件下,均存在一个使X s 发生骤变的临界Reynolds 数Re c ,其大小随体积比增加而增加;当Re <Re c 时,随体积流量比增加离集指数X s 逐渐增加,即相同Re 下,体积流量比越大,微观混合效果越差.由于在相同Re 下,两流体体积比越大,其中一种流体流速将越小,相互混合时产生的涡流或卷吸流强度越小,微观混合强化作用越小,即X s 值越大.316 微混合器内CuO 颗粒的制备为了进一步考察微通道内流体间的混合效果,于微混合器内采用共沉淀方法合成CuO 颗粒,并与传统搅拌釜中合成的CuO 颗粒进行比较,结果见图9.两种方法中反应物浓度、产物干燥和焙烧过程完全一样,微通道反应器内两溶液[Na 2CO 3、Cu (NO 3)2]体积流量均为20ml ・min -1,入口为a 和b ,出口为g.在微混合器内用共沉淀方法合成的CuO颗粒Fig 19 Particle size distribution produced by microchannel reactor and batch reactor粒径分布较传统搅拌釜中窄,粒度分布曲线基本呈正态分布,平均粒径为99618nm ;传统法制备的CuO 粒径分布明显出现两个粒度分布峰,两个峰的平均粒径分别为31519nm 和163718nm ,且大粒径分布峰较宽.由于成核速率与溶液的局部过饱和度有关,这种局部过饱和是共沉淀法制备催化剂时产生粒径不易控制的主要原因,即溶液的微观混合效果直接影响颗粒的粒径分布.在微混合器内两种流体能够迅速达到微观混合均匀,溶液局部过饱和现象大大降低,因此,粒度分布较窄,且平均粒径较小;反之,共沉淀法制备催化剂过程中溶液不能迅速达到混合均匀,局部过饱和现象明显,导致粒径分布变宽,平均粒径较大.4 结 论采用化学法研究了微混合器的进出口结构尺寸对微观混合效果的影响,存在使离集指数X s 发生骤变的Re c .Re <Re c 时,由于两流体接触面积的不同以及小出口通道内的流动扰动加剧,导致不同出、入口结构对X s 有较大影响;Re >Re c 时,由于发生层流向湍流的转捩提前,流体间混合加强,X s 趋于一定值217×10-4,达到理想的微观混合效果.微通道长度大于45mm 时,流体流动处于充分发展阶段,此时通道长度对流体混合效果影响甚微.不同体积流量比下,均存在一个使X s 发生骤变的Re c ,Re <Re c 时X s 值随Re 增加而减小,Re >Re c 时X s 基本趋于定值;体积流量比越大X s 值越大,微观混合效果越差.由于能促进流体间的快速、均匀混合,微混合器内合成的CuO 颗粒粒径分布窄且粒度小.・8881・化 工 学 报 第57卷 符 号 说 明A———吸光度d H———微通道的当量直径,m[i]———组分i物质的量浓度,mol・L-1K3———反应平衡常数,L・mol-1k———吸光度比例系数,m3・mol-1L———混合通道长度,mPe———Péclet数Re———Reynolds数T———热力学温度,Ku m———微通道内流体平均速度,m・s-1V1———含H2BO-3、IO-3与I-溶液的体积流量, ml・min-1V2———含H+溶液的体积流量,ml・min-1X s———表示微观混合效果的离集指数ρ———混合溶液密度,kg・m-3μ———去离子水的黏度,Pa・s下角标0———初始时浓度1———含H2BO-3、IO-3与I-的溶液2———含H+的溶液References[1] Chen Guangwen(陈光文),Yuan Quan(袁权).Microchemical technology.J ournal of Chemical I ndust 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中科院科技成果——微换热和微混合技术

中科院科技成果——微换热和微混合技术

中科院科技成果——微换热和微混合技术项目简介
微换热器是20世纪90年代发展起来的高效换热设备,具有体积小、重量轻、效率高、强度大等优点,液体传热系数高达103-105W•m-2•K-1。

微混合器的通道特征尺度仅为数百微米,故微混合器内的流体流层薄、相间接触面积大、扩散路径及混合时间短,从而强化了传质过程,实现了物料间的均匀、超快速混合。

大连化物所采用自主研发的低压降、高效微换热器和微混合器,为某公司成功开发了10万吨/年规模微混合/换热系统,并用于浓磷酸稀释、液氨配制氨水、磷酸与氨反应制磷酸二氢铵的工业过程,已平稳运行3年。

微混合器和微换热器体积均小于10L,系统耐压>5MPa。

与传统装置相比具有体积小、移热速度快,过程易控、无振动、无噪音,产品质量稳定等优点,彻底解决了安全、环保与产品质量稳定性问题,具有显著的社会效益及经济效益。

换热和混合是化工过程中的重要操作单元,微换热器和微混合技术可以适用于石油化工、精细化工、能源、材料、核电等过程。

化工进展-微反应器综述

化工进展-微反应器综述

化工进展-微反应器综述(2)延伸流动由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速,产生延伸效应,使的流层厚度进一步减小,改进混合质量。

(3)分布混合在微混合器内集成静态混合元件,通过流体的分割重排再结合效应,减小流层厚度,并增大流体间的界面。

(4)分子扩散分子水平均匀混合的必经之路。

在常规尺度混合器中,只有当剪切、延伸和分布混合使流层厚度降至足够低的水平时,分子水平的混合才有意义。

而在微混合器中,由于微通道当量直径可低至几个微米,依据Fick定律:t≈l2 D式中:D——扩散系数;L——扩散特征尺度;T——混合时间。

当混合流体处于同一微通道内时,分子扩散路径大大缩短,因此仅依靠分子扩散就可在极短的时间内(毫秒至微秒级)实现均匀混合。

2.2微反应器的特点微反应器的特性决定了它在特定化学和化工领域的应用,有着大反应器无法比拟的优越性,主要表现在以下几个方面。

(1)面积体积比的增大和体积的减小.在微反应设备内,由于减小了流体厚度,相应的面积体积比得到了显著的提高。

通常微通道设备的比表面积可以达到10 000-50 000 m2/m3,而常规实验室或工业设备的比表面积不会超过l 000m2/m3或100 m2/m3。

因此,比表面积的增加除了可以强化传热外,也可以强化反应过程,例如,高效率的气相催化微反应器就可以采用在微通道内表面涂敷催化剂的结构。

目前已有的界面积最大的微反应器为降膜式微反应器,其界面积可以达到25000 m2/m3,而传统鼓泡塔的界面积只能达到100m2/m3,即使采用喷射式对撞流的气液接触式反应器的比表面积也只能达到2 000 m2/m3左右。

若在微型鼓泡塔中采用环流流动,理论上其比表面积可以达到50 000 m2/m3以上。

(2)小试工艺不需中试可以直接放大:精细化工行业多数使用间歇式反应器。

小试工艺放大到大的反应釜,由于传热传质效率的不同,工艺条件一般都要通过实验来修改以适应大的反应器。

压电基片上集成微通道数字微流体微混合器研究

压电基片上集成微通道数字微流体微混合器研究
o 一 b u y h we h tt e mi t r e o iy a d d g e ft e d g t l c o fu d r l c r l 2 t l e d e s o d t a h x u e v l ct n e r e o h i ia A mi r — l i swe e
第 3 卷 第 3 O 期
21 0 0年 9 月
固体 电子学研究与进展
R S ARC & P OGRE SOF S E EE H R S S
V o1 30。 O.3 . N Se p.,20 10
压 电基 片 上 集 成 微 通 道 数 字 微 流 体 微 混 合 器 研 究
tc wa e e ie i v xct d by RF i na . Th xt e e e i nt f 2 1wa e 一 lbl e d e a d o A sg 1 e mi ur xp rme s o t r 2 u y n f 2 t
Z HANG l n YE Ii n F ig h n An i g a j EIJn c e u
( c l f I f r to ce c n n oma in En n e ig,Nig o Fa ut o n o mainS in ea d If r t giern y o n b ,Unv ri ie s y,Nigb t n o,Z  ̄in h a g,3 5 1 1 2 1,C N ) H
p t sb c o i jco n h n we eta s o td,me g d a d fs x d u ig s ra ea o s ah y amir —n e t ra d t e r r n p re r e n a tmie sn u f c c u —

微螺旋混合器的混合实验研究及数值模拟分析

微螺旋混合器的混合实验研究及数值模拟分析

随 着 微机 电 系统 ( MS 的迅 速 发 展 , 混 合 ME ) 微 器 中流动 、 合 的研究 也得 到广 泛重 视 和迅速 发 展 . 混
微混 合 器 主 要 分 主 动 式 微 混 合 器 和 被 动 式 混 合 器 ¨ . e 等 的压 力 扰 动 型 微 混 合 器 等 属 于 JYK Le
第2 5卷 第 4期 20 0 8年 1 2月
广 东 工业大 学 学报
J u n lo a g o g Unv ri fTe h oo y o r a fGu n d n ie st o c n lg y
Vo . 125 No. 4 De e b r2o 8 cm e 0
基金项 目: 国家 自然科 学基金资助项 目( 0 70 4 55 6 1 )
作者简介 : 李石栋 ( 9 3) 男 , 18 一 , 硕士研究生 , 主要研究方 向为流体流动 、 储能节能等
l 4
广

工业Biblioteka 大学学报
第2 5卷
●●● ●●●● ●●●
8 % O 9 % o lO O %
成 一个 直径 5m 高 02m 的混合 腔.30黏 合剂 m . m 32 具 有很 薄 、 明 、 性等 特点 , 透 水 但最 重要 的是 , 是要 它 经 过紫外 线 的照 射 才 能 保证 黏 合 出 比较 好 的模 型 .
这 样就形 成 直径 5mm 高0 2m . m的微 混 合 器 , 高 在 度 上 的特征 尺寸属 于微 流动 的范 畴.
从 图 5中可 以看 出灰度 值随罗丹 明 B溶 液质量
分数 的增 大而减 小 .
图 2 不 同质 量 分 数 的 罗 丹 明 B溶 液 标 样 图 像 图 5 罗 丹 明 B溶 液 质 量 分数 与 灰 度 关 系 图

微反应器介绍及其研究进展

微反应器介绍及其研究进展

化工学术讲座课程论文题目微反应器介绍及其研究进展学号姓名成绩老师签名定稿日期:2015 年12 月20 日微反应器介绍及其研究进展摘要:近年来,随着微尺度下“三传一反”研究的进展,微尺度流体的性能得到了深入揭示,微反应器技术也被广泛应用于科学研究和工业生产领域。

本文系统介绍了微反应器的结构特点、性能优势、研究进展,进而分析了微反应器的发展方向。

关键字:微反应器;微反应技术1 引言进入21世纪,化工过程向着更为绿色、安全、高效的方向发展,而新工艺、新设备、新技术的开发对于化工过程的进步是十分重要的。

在这样的背景下,微化工系统的出现吸引了研究者和生产者的极大关注。

微化工系统并非简单的微小型化工系统,而是指带有微反应或微分离单元的新型化工系统。

在微化工系统中,微反应器是重要的核心之一。

“微反应器(microreactor)” 最初是指一种用于催化剂评价和动力学研究的小型管式反应器,其尺寸约为10 mm。

随着本来发展用于电路集成的微制造技术逐渐推广应用于各种化学领域,前缀“micro”含义发生变化,专门修饰用微加工技术制造的化学系统。

此时的“微反应器”是指用微加工技术制造的一种新型的微型化的化学反应器,但由小型化到微型化并不仅仅是尺寸上的变化,更重要的是它具有一系列新特性,随着微加工技术在化学领域的推广应用而发展并为人所重视。

现在所说的微反应器一般是指通过微加工技术制造的带有微结构的反应设备,微反应器内的流体通道或者分散尺度在微米量级[1],而微反应器的处理量则依据其应用目的的不同达到从数微升/分钟到数万立方米/年的规模。

近年来与微反应器相关的流动、混合、反应等方向的研究工作发展十分迅速,带动了微反应器技术的快速发展。

微反应器内流体的存在状态不同于传统的反应器,其内部流体的流动或分散尺度在1μm到1mm之间,这种流体被称为微流体。

微流体相对于常规尺度的流体具有一定的特殊性, 主要体现在流体力学规律的变化、传递过程的强化、固有的安全性以及良好的可控性等。

磁性微混合器混合性能的实验研究

磁性微混合器混合性能的实验研究

文章编 号 :0 19 3 (0 6 0 — 9 90 1 0 —7 l 2 0 ) 60 8 —3
1 引 言
目前 , 国际上 已有 的 不 同类 型 微 流 体 混 合 器 可 分
5次 , 后用 乙醇清 洗 一 次 , 入 0 5 的 油酸 后 充 最 加 . ml
为 主动混合 器 和被 动 混 合 器 两 类 。对 于 被 动 混 合 器 , 由于微 流器 件 的 尺 寸 很 小 , y od Ren ls数 非 常 小 , 体 流 处 于层 流状 态 , 流体 间的混 合 基本 上依 赖 于 扩散 , 以 所
力, 性颗 粒的聚合 被破 坏 , 混合 效 率反 而 下降 。为 磁 使 磁性 微混合 器的设 计提 供基 础 。
2 磁 性 微 混 合 器 基 础
2 1 磁 流体 的 制备 .
关 键词 : 磁流体 ; 混合 器 ; coP V; 微 Mi — I 混合效 率 r 中图分 类号 : TB 4 O3 3 3 ; 7 文献标 识 码 : A
曲拉 长而增 加流 体 接 触 的 面 积 而 加强 流体 问 的扩 散 。
式 中 '为 动力 粘 度 , 为旋 转磁 场 频 率 , 为 粒子 7 M
磁化 强度 ,。为真 空 导磁 率 。
然而 , 些通 道的制 造 有较 大 的难度 , 且 流 体 的应 变 这 而 率增 大 。主动式混 合器 是利 用 外 力破坏 流 动 的层 流 状
下这些 方 法才适 用 。
本 文 的 目的是 用 聚合 的磁 流 体在旋 转 磁 场作 用 下
的运 动 , 破坏 流体 的层 流状 态 , 来 产生 混 沌对 流而 加 强
实验研 究 , 结果表 明 : 在保 证 外磁 场 能 带动磁 流体 聚 合

微混合器研究进展

微混合器研究进展
图C 快速涡流式微混合器
[L]
[G]
E(++&’% 等人
与徐溢等人
[M]
研究了按层流
原理设计制作的交叉分液汇合式微混合器。其基本 原理为:因扩散时间与扩散距离的平方成正比,通 过将液流分裂成多个薄层液流,可以缩短液流间的 扩散距离,显著降低混合时间。该微混合器的结构
!""# 年第 $ 期
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[G]
报道了一种用于高速
化学反应的快速涡流式微混合器,他们设计的微混 和器通过利用涡流减小扩散距离而达到减少混合时 间的目的。图 C 是该涡流式微混合器的结构示意 图,通过 C2 个切线方向上的入口,液体 $ 和 E 高 速地 (速度为 ) H + 级)进入涡流室。据作者介绍, 由于该进样速度很高,在涡流室内产生了一个旋流 场,它有效地减少了各薄层间的距离,因此混合时 间可以大幅缩短。雷诺数为 B00 时,流速最高可达

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究

基于分合式混合单元的微混合器设计与研究
艺, 制作 了分合式 与组合 分合式两种微混合器 。采用甘油一 水按体积 比 5:9 ( .0 7P s 混合 而成 的溶 液对两种微混合 器和 5 0 009 a・ )
斜阻块式微混合器进行 了实 验( e 0 0 2— 0 。实验结果表 明, 阻块 式微混合 器在 ≥12 R = .5 2 ) 斜 .3时 , 混合 长度 超过 2 0mm, 而分合 式微混合器最大混合长度 约 7 6mm, . 组合 分合 式微混合器的混合性能最好 , 其最 大混合长度 约为 5 4m . m。设计 的分合式和组合分 合式 微混合器制作方便 , 易与微流体系统集成 。 关键 词 : 微流体 ; 被动式微混合器 ; 分合 式
tc n q e wh c smu h e se a h a rc t n o o D c o x r AR mir mie ,C AR— e o x ra d sa tbo k mir mie e h iu ihi c a irt n te f b ia i fs me 3 mir mie .S - c o x r S h o mir mie n ln lc c o x r
谢 海 波 , 新 泊 赵
( 浙江大学 流体传动及控制国家重点实验室 , 浙江 杭州 30 2 ) 10 7
摘要 : 为实现微 尺度下流体 的快速均匀混合 , 基于对流体的分割 、 并实现 流体间接触 面积指 数式增 长的原理 , 出 了一种 分合式 合 提
(A 混合单元 , 过仿 真对其支路夹角进 行 了优 化 , 最终确 定支路 夹角 0= 0 。利用 成熟 的标准 S 一 刻及 P MS制 作工 S R) 通 并 7。 U 8光 D
第2 8卷 第 4期
2 1 年 4月 01

粘性体系微观混合的研究进展

粘性体系微观混合的研究进展
了统 计 力 学 的 方 法 , 随后 S i ma pe n和 L v npe l ee si l
用 Mo t—al 法 简 化 了其 数 值 计 算 。许 多 学 neC r o方
者用 该模 型模 拟搅拌 槽 中实 际混合 与理 想情 况间
的 偏 差 。
高 粘流 体 的层 流混 合 , 宏 观 混 合 速 率 与微 观 混 其 合 速率 在 同一数 量 级 上 , 在 许 多 聚 合 反应 过 程 且 中 , 观混 合状 况不 仅影 响所 生成 的大 分子结 构 , 微
的开 发 、 计有 重要 的指 导意 义 。 设
1 微 观 混 合 的 理 论 模 型
国 内外关 于微 观混 合理 论 的研究 主要集 中在 数学 模 型 的 建 立 和 求解 上 , 1 5 从 9 9年 Z i eig we r t n T N 采 用年 龄 空 间 的数 学 化 方法 来 描述 离 集 问 题 以来 , 者们 提 出 了很 多 相关 模 型来 模 拟 反 应 学
混 合 研 究进 行 了 总结 与展 望 。 关 键 词 粘 性 体 系 微 观 混 合 机 理 模 型 离 集 指 数
中图分类号
T 076 Q 2 .
文 献 标 识 码 A
文章 编 号
0 5 — 9 ( 0 ) 60 5 —5 2 46 4 2 1 0 —6 9 0 0 1
混流 反应器 ( S R) 其基 本思 想是假 设 反应器 内 CT ,
同 时存在 两个环 境 , 即进入 环 境与离 开环 境 , 别 分 处 于完全离 集 与最大 混 和状态 。环境 之 间通过 质 量交 换 实 现 微 观 混 和 , 换 速 率 R 即 为 模 型 参 交
数 。此后 Rt i i he和 T by于 1 7 c og 9 9年 提 出 了 三 环 境 模 型 模 拟 双 股 进 料 的 情 况 , ha和 T rel Met ab l于

被动式旋流微混合器的实验研究

被动式旋流微混合器的实验研究

关键词 :微混合器;聚甲基丙烯酸 甲酯:微铣 ;混合效益
中 图分 类 号 : T 3 22 B 0. 文 献 标识 码 :A
0 引言
2 0世 纪 9 0年代 初瑞士研 究人 员 Maz Wi— n和 d me ”首次提 出微型全分析 系统 ( na r e tl t mii ui d oa t z t
TS A )的概念 ,发展一种可 把做一个化学 分析所需
的全部部件和操 作集成在 一起 的微型器件 以来 , 以
微通 道 网络 为结构 特征 的微 流控 芯片 成为 当前 研 究的热点 。 微流控 芯片主要 以分析 化学和分析生物 学为基础 , 以微机 电加工 ( coe c o c a i l mir—l t meh nc er a s s ms ME )技 术为主 要加工 手段 ,将传统 yt , e MS
代表性指标1GT , P等, 已在 20 一 0 7年投放市场 。此
芯片 由 5 0日元 硬 币大 小 的四边 形 P T ( 0 E 聚对 苯 二 甲酸 乙二醇酯 )材料制成 ,内部形成有微米规格 的细小槽道 。 片中除集 成有对血球和 血浆进行分 芯 离 的离 心分离功 能以外 , 还集成有准确 测量液体成
燕山大学学报分析化学参考文献方肇伦徐章润方瑾微型化在化学科学发展中的战略地位化学展章吉良杨春生微机电系统及相关技术上海上海交徐溢吕君江范伟等微流控分析芯片上生化反应技术研通大学出版社究展化学展冯颖王敏微流控层流技术的研究化学展王辉黄淮青戴忠鹏等自制玻璃微流控芯片及其基本性能考察高等学校化学学报叶美英方群聚二甲基硅氧烷基质微流控芯片封接技术的研究高等学校化学学报杜晓光关艳霞王福仁等聚甲基丙烯酸甲酯微流控分析芯片的简易热压制作法高等学校化学学报王瑞金通道中流体扩散和混合机理及其微混合器的研究张先锋微尺度流动及强化技术的研究合肥中国科技浙江浙江大学大学殷学锋沈宏方肇伦制造玻璃微流控芯片的简易加工技术fabricationandstudyonthemixingcharacteristicsofvortexmicromixerabstract

一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验

一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验
Ab s t r a c t : De s i g n a n o v e l mi x i n g s t r u c t u r e c o n s i s t i n g o f s e v e r a l o p p o s i t e l y d i s t r i b u t e d e x p a n s i o n a n d c o n t r a c t i o n s e c t i o n s , wh i c h c a n g e n e r a t e De a n l f o w a n d e x p a n s i o n v o  ̄ e x . Ba s e d o n t h i s , t h e mi c r o mi x e r s t r u c t u r e c a n r e a l i z e h i g h — e ic f i e n c y mi x i n g . T h e me c h a n i s m o f f o r mi n g De a n l f o w a n d e x p a n s i o n v o r t e x a r c d e s c r i b e d i f r s t . t h e n 3 D n u me i r c l a s i mu l a t i o n i s c a r r i e d o u t t o v e r i f y l i q u i d f l o w mi x i n g p r o c e s s b y CO MS OL, a n a l y z e e f f e c t o f d i f f e r e n t l f o w r a t e s o n s t r o n g o r w e a k o f t h e mu l t i v o r t e x a n d mi x i n g d e g r e e . F i n a l l y, t h e mi c r o mi x e r i s f a b i r c a t e d . T wo d i f f e r e n t d y e s a r e u s e d f o r mi x i n g e x p e ime r n t . B o t h t h e s i mu l a t i o n a n d e x p e r i me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t t h e mi x e r c a n o b t a i n h i g h e ic f i e n t a n d f a s t mi x i n g a t t h e l o w r a t e o f 0 . 0 1 L / s a s we l l a s h i g h i n p u t l f o w r a t e o f 7 【 /s , t h e h i g h e s t mi x i n g e ic f i e n c y i s u p t o 9 8. 6% a t t h e l f o w r a t e o f i n p u t 5 L / s .

枝形微混合器研究进展

枝形微混合器研究进展
分 析 设备 等 。如今 , 已有 为数众 多 的微 化工 组件 和微 化工 系统 用 于化工 单元 操作 中。 微 混 合器 是微 化工 装 置 的关键 组件 ,主要 混合 机制包 括 层流 剪切 、拉 伸流 动 、分 布混 合 、及分 子 扩散L 1 ] ,其 混合 时 问 由微 观 、介观 和宏 观 尺度 下 的混合 时 间共 同决 定 。为 强化 混合 ,混合 器 的设计 需 要 尽 可能缩 短 所有 三个 尺度 下 的混 合 时间 ,尤 其是 其 中混合 时间最长 的过 程 。文献 已报道 了不 同类 型 的微 混合器 以及其 混合 性 能 , 如 T形微 混 合器 、 叠层 微 混合器 、 静态 微 混合器 以及 混沌 微混 合器 [ 】 。
流作用。枝形结构 的尺寸根据构造理论 ( C o n s t r u c t a l a p p r o a c h )进行 了优化,同时减低 内部流动空间
收 稿 日期 :2 0 1 3 - 0 3 — 1 4 ;修 订 日期: 2 0 1 3 — 0 4 . 2 5 。
作者简介: 侯磉鑫( 1 9 8 4 一) ,男,博士研究生;周兴贵( 1 9 6 6 ~) ,男,教授,通讯联系人。E - m a i l : x g z h o u @ e c u s t . e d u . c n 。
使得 混 合器 的加 工成 本 较高 且机 械 强度较 低 ,不适 合 实 际工业 生产 。 本 文介 绍一 种根 据 构造 理论 设计 优化 的新型 的枝 形微 混合 器 ,并对 该混 合器 的液 一 液 、气一 液 混合
性 能进行 了总 结 。
1枝 形微混合器
枝形 微混 合 器 由 7个 部件 组 成 ,如 图 1 所 示 ,上 图为枝 形微 混合 器 的装配 图,下 图为各 组件 的尺 寸【 J 引 。部件 2 、4 、6是带有 枝 形结 构 的金属 板 ,使用 电火花 切割 方法 加工 制造 而成 ,分 别起 分流 和集

微流体混合器的设计综述

微流体混合器的设计综述

微流体混合器的设计综述摘要近年來,微流控技术发展迅速,在生化分析、药物开发、医学检测等领域有较大的影响力。

微混合器是微流控芯片的重要组成部分,对微流控芯片在各领域的应用效果有着至关重要的作用。

被动式微混合器因其具有成本低、易清洗、不易破坏生化试剂等优点而倍受欢迎。

本综述介绍了被动式微混合器的工作机制。

通过本综述希望能为被动式微混合器的设计与应用提供新思路。

关键词微混合器;被动式;层流;涡流引言微混合器目前主要分为两种:主动式和被动式微混合器。

主动式混合器主要通过电场、磁场和声波等外部施加的刺激来促进液体混合。

主动式微混合器的优点在于利用外加能量源刺激流体,打破混合通道中流体的层流状态,增强湍流,提高混合效率。

但该能量源对反应体系造成破坏,成为其应用的制约因素。

被动式混合器主要是通过微通道中几何图形的变化诱导复杂的流体运动,实现适当的混合。

被动式微混合器不会干预生化反应,在生物分析和化学反应中有着广泛的应用。

本文主要从被动式微混合器的设计方法进行分析,为被动式微混合器的设计和应用提供依据。

1 被动式微混合通道的设计方式当不同液体在微混合通道内进行混合时,混合方式主要依赖分子扩散,时间越长,混合效率越高。

被动式微混合器一般包括2D和3D微混合器,2D微混合器由于其易制造的优点在微流控系统中得到广泛应用。

3D结构的微混合器设计复杂且不易清洗,但混合效果一般优于2D微混合器。

被动式微混合器的混合机制一般有层流和涡流。

1.1 基于层流的混合机制层流方式一般存在于Re较小时,通过分子间的扩散进行混合。

2D微混合通道最常见是T/Y型微混合通道。

T型混合通道最初是由Kockmann N等[1]提出来的。

为了改善层流状态的混合效率,Wang WT等人[2]利用晶格玻尔兹曼方法通过增加入口的个数以及调整流量及每个入口的宽度来实现快速混合。

经模拟显示,随着入口数量的增加和入口流体流速的加快,混合效果有明显提高。

1.2 基于涡流的混合机制涡流可通过分割重组(SAR)、设计3D结构等方式来实现。

微型反应器技术的研究现状与应用场景

微型反应器技术的研究现状与应用场景

微型反应器技术的研究现状与应用场景微型反应器是指尺寸在微米到毫米级别的反应器,通常采用微加工技术制造,能够在小尺寸中消耗少量试剂、节省能源、提高反应效率。

随着微流控技术的发展和微机电系统技术的成熟,微型反应器逐渐成为化学反应、生物反应和工业反应的研究热点,受到了广泛的关注。

目前,微型反应器技术已经广泛应用于化学反应领域。

传统的化学反应需要大量试剂和反应体积,反应时间长、效率低,而微型反应器能够大大减少试剂消耗和反应体积,同时还能够精确控制反应物质的混合速率和时间,提高反应效率和产率。

例如,在有机合成反应中,微型反应器可以用于氧化、还原、酯化、酰化等反应,有效地降低废物的生成、提高产率,同时还能够减少反应物和催化剂的浪费。

另外,微型反应器技术在生物反应领域也有很大的应用潜力。

传统的生物反应需要对反应物质进行精细的控制,但是反应体积通常过大,很难控制反应物质的混合速率和时间,直接影响反应效率。

而微型反应器可以利用微流控技术精确控制反应物质的数量、速率和时间,提高反应效率和产量。

例如,在基因测序、生物医学和医药化学等领域,微型反应器的应用已经开始逐渐展开。

此外,微型反应器技术还有很广泛的工业应用。

随着全球人口不断增长和生活水平的提高,化学品、医药品和精细化工品需求量逐渐攀升,而这些领域的需求往往需要精细、高效的反应器来保障。

传统的化工反应器常常需要长时间、大量的能量消耗和反应物质,且很难控制反应物质的混合过程,这不仅造成能源的浪费,还会增加污染的风险。

而微型反应器既节省了能源,又减少了反应物的浪费,同时还能够有效地减少污染,因此在汽车、空调、电池、橡胶、医药等领域都有广泛的应用前景。

虽然微型反应器技术已经取得了一些令人瞩目的成果,但是还有很多难题需要进一步研究解决。

例如,怎样设计微型反应器才能满足不同的反应需求,如何制造更为高效、智能、便携的微型反应器,如何建立完整的微型反应器系统等问题依然存在。

这些问题都需要复杂的技术支撑和深入的探索,只有通过不断创新和实践,才能不断推动微型反应器技术的进步和应用。

声波诱导气泡微混合器流动特性研究

声波诱导气泡微混合器流动特性研究

第41卷,总第242期2023年11月,第6期《节能技术》ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol.41,Sum.No.242Nov.2023,No.6声波诱导气泡微混合器流动特性研究杨敬东1,吕海舟1,刘婉莹2,关 键3,许 飞4(1.浙江能源天然气集团有限公司,浙江 杭州 310000;2.浙江省白马湖实验室有限公司,浙江 杭州 310000;3.浙江省能源集团有限公司,浙江 杭州 310020;4.中国计量大学计量与测量工程学院,浙江 杭州 310018)摘 要:为了了解声场作用下微混合器内部流场特性,基于ANSYS 模拟了单个声波周期内不同时刻的涡流结构、压力分布、速度分布,同时研究了声波驱动振幅、驱动频率和驱动波形对微混合器内部流体流速的影响。

研究结果表明,声场作用下气泡微混合器内的流体流动主要受到气泡振荡的影响;气液之间的压差是气泡振荡的直接原因,且气体压力变化存在约0.15个周期的延滞;相同条件下采用0.7占空比的方波波形能得到更大的流体流速。

关键词:微混合器;微流控芯片;声波;数值模拟;气泡振荡中图分类号:TQ051.7 文献标识码:A 文章编号:1002-6339(2023)06-0497-05Study on Flow Characteristics of Sonic Induced Bubble MicromixerYANG Jing -dong 1,LV Hai -zhou 1,LIU Wan -ying 2,GUAN Jian 3,XU Fei 4(1.ZheJiang Energy Natural Gas Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;2.Zhejiang Baima Lake Laboratory Co.,Ltd.,Hangzhou 310000,China;3.Zhejiang Mechanical and Electrical Group Co.,Ltd.,Hangzhou 310020,China;4.College of Metrology and Measurement Engineering,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)Abstract :In order to understand the internal flow field characteristics of the micromixer under the action of the sound field,ANSYS was used to study the vortex structure,pressure distribution and velocity dis⁃tribution at different times in a single sound wave cycle,the effects of acoustic driving amplitude,driving frequency and driving waveform on the fluid velocity inside the micromixer were also studied.The re⁃search results show that the fluid flow in the bubble micromixer under the action of the sound field was mainly affected by the influence of bubble oscillation.The pressure difference between gas and liquid was the direct cause of bubble oscillation,and there was a delay of about 0.15cycle in gas pressure change.Under the same conditions,a square wave with an airvoid ratio of 0.7can result in a higher fluid velocity.Key words :micromixers;microfluidic chip;sonic;numerical simulation;bubble oscillation 收稿日期 2023-06-18 修订稿日期 2023-06-28基金项目:省自然科学基金(LQ21A020007);青年科技人才培育专项(B 类)(2021YW48);国家自然科学基金青年项目(12102418)作者简介:杨敬东(1968~),男,本科,高级工程师,主要从事能源化工研究。

微混合器研究进展共31页文档

微混合器研究进展共31页文档
微混合器研究进展
16、人民应该为法律而战斗,就像为 了城墙 而战斗 一样。 ——赫 拉克利 特 17、人类对于不公正的行为加以指责 ,并非 因为他 们愿意 做出这 种行为 ,而是 惟恐自 己会成 为这种 行为的 牺牲者 。—— 柏拉图 18、制定法律法令,就是为了不让强 者做什 么事都 横行霸 道。— —奥维 德 19、法律是社会的习惯和思想的结晶 。—— 托·伍·威尔逊 20、人们嘴上挂着的法律,其真实含 义是财 富。— —爱献 生
25、学习是劳动,是充满思想的劳动。——乌申斯基
谢谢!Leabharlann 21、要知道对好事的称颂过于夸大,也会招来人们的反感轻蔑和嫉妒。——培根 22、业精于勤,荒于嬉;行成于思,毁于随。——韩愈
23、一切节省,归根到底都归结为时间的节省。——马克思 24、意志命运往往背道而驰,决心到最后会全部推倒。——莎士比亚

无源微混合器研究进展

无源微混合器研究进展

无源微混合器研究进展
谢煜;田旺;张杨;秦康
【期刊名称】《现代化工》
【年(卷),期】2024(44)5
【摘要】介绍了基于层压的微混合器、基于障碍物的微混合器、基于收敛-发散的微混合器和基于弯曲通道的微混合器等4种主要的无源微混合器研究进展,深入分析了各自的结构特点、混合特性、优缺点及适宜的应用场景。

在此基础上,对无源微混合器的主要制造技术进行了归纳,未来3D打印等新型增材制造技术的发展将会高效赋能微流控元件的大规模制造和集成化应用。

最后展望了无源微混合器的发展方向。

【总页数】6页(P82-87)
【作者】谢煜;田旺;张杨;秦康
【作者单位】中石化石油化工科学研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TQ016
【相关文献】
1.纳米塑料加工用微混合器的研究进展
2.微流控超快混合器及生物大分子折叠动力学应用研究进展
3.无源混合器主要性能指标的分析与测量
4.微混合器的研究进展
5.枝形微混合器研究进展
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。微化工系统主要包括微热、微
反应、微分离、微分析等。 最近的发展表明,由瑞士的 %&’( 和 )*+,-. 提 出的微全分析系统预计在未来 !# 年内将对分析科学
收稿日期: "##01!"1#/
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微混合器的设计与加工
微混合器的设计目标与组成 微混合器的设计目标主要有
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基金项目:国家自然科学基金项目 (2#"32#3$ ) ;博士学科专项科研基金 ("##!#"44#!/ )
IJC0G %) H +,混合时间最短可达 K %+。
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微混合器研究进展
在宏观体系中,对于高雷诺数的低黏度流体,
通常采用产生湍流的方法,利用对流效应形成微区 分散结构进行混合,而对于高黏度流体或微结构 中,液流雷诺数很小使得液流很难产生湍动,扩散 效应在微结构混合过程中成为主要的控制因素。 微混合一般采用层流的混合机理。在层流条件 下达到有效混合的方法有:!微接触,即不互溶的 两相体系如液 < 液或气 < 液两相流体在同一微通道或 分别在相互接触的两个微通道内流动,形成平行的 流体层,通过相界面实现两相的微接触;" 拉长或 剪切层流,以增大流体间的接 触 面 积 ;#分 散 混 和,即通过管路几何形状设计将大的液流裂分成小 组分,从而产生更大的界面区域,实现更有效的混 微纳电子技术
自 "# 世纪 $# 年代以来,随着纳米材料以及微 机电系统的迅速发展,人们对小尺度和快速过程领 域进行了大量研究。微化工技术是随之兴起的多学 科交叉的科技前沿领域之一,它是集微机电系统设 计思想和化学化工基本原理于一体并移植集成电路 和微传感器制造技术的一种高新技术,涉及化学、 材料、物理、化工、机械、电子、控制学等各种工 程技术和学科
!


乃至整个科学技术的发展起着重要的推动作用。微 全分析系统的目的是实现化学分析系统从试样处理 到检测的微型化、自动化、集成化与便携化。它具 备独特的优越性,如较短的响应时间、较少的试剂 和试样消耗量、易于小型化和自动化、效率高等 [/] 。 而微混合器正是一种可以实现上述优越性的微器件。 对于微结构中混合行为的研究是最近几年才得 到重视的,本文将对微混和器的发展现状、研究内 容及进展进行较系统的介绍和讨论。

在高分子聚合物基片上制作微结构技术有
+),$ 技术、模塑法、热压法、激光烧灼法和软光
刻等
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+),$ ( -./0123450.6 24-7481913:;82 4<913:;82 )
技术其加工路线大致为: ! 形成厚 =>?=>> ’: 的 抗 蚀 层 , 其 材 料 为 "#$$ 等 ; " 图 形 曝 光 , 光 源 采用来自同步加速器的、高度平行的软 @ 射线, 掩膜用厚 A* ’: 的铍箔和厚 =B ’: 的 铜 、 金 层 吸 收 体 ;#抗 蚀 剂 显 像 , 形 成 深 的 抗 蚀 剂 三 维 形 状 (正型或负型) ;$ 用金属电铸或塑料、陶瓷等翻成 所需工件; % 去除抗蚀层。 +),$ 的优点是:深宽 比大,可达 =>> 以上,且沿深度方向的直线性和垂 直度非常好;与 )% 工艺相容;可用材料的种类较 多。但其不足是,成本比 )% 高得多;得到的形状
23*(,+-(: 7A BC- D-> E&.B FG ,*H.F BFB&I &’&I>A*A A>AB-,A, ,*H.F,*J-.A &.- .-A-&.HC-+ K*+-I> *’ BC- G*-I+ FG %L%M .-H-’BI>6 NC- +-A*O’ OF&IA, G&P.*H&B*F’ B-HC’*QR-A &’+ ,&B-.*&IA FG ,*H.F,*J-.A &’+ BC- ,*J*’O ,-HC&’*A, &.- *’B.F+RH-+6 %*H.F,*J-.A &.- ,&*’I> +*S*+-+ *’BF E&AA*S- ,*J-.A &’+ &HB*S- ,*J-.A6 NC- .-A-&.HC AB&BRA FG ,*H.F,*J-.A &.- AR,,&.*(-+6 LJ*AB*’O E.FPI-,A &’+ GRBR.- +*.-HB*F’ &.- &IAF +*AHRAA-+6 4"5 %&,6*:%L%M;,*H.F BFB&I &’&I>A*A A>AB-,A;,*H.F,*J-. ;&HB*S- ,*J-. ;E&AA*S- ,*J-.
[G]
报道了一种用于高速
化学反应的快速涡流式微混合器,他们设计的微混 和器通过利用涡流减小扩散距离而达到减少混合时 间的目的。图 C 是该涡流式微混合器的结构示意 图,通过 C2 个切线方向上的入口,液体 $ 和 E 高 速地 (速度为 ) H + 级)进入涡流室。据作者介绍, 由于该进样速度很高,在涡流室内产生了一个旋流 场,它有效地减少了各薄层间的距离,因此混合时 间可以大幅缩短。雷诺数为 B00 时,流速最高可达
%&’
被动混合器
8(=> ?&( @&-. 等人
[2]
报道了一种 A 型微混
合器。作者进行了在不同进样压力下两种液体混合 效果的试验,并进行了计算机模拟。试验表明该 A 型微混合器的混合时间为毫秒级,且尽管在微管道 中很难产生湍流,但仍然可以通过产生二次流、回 旋流及旋涡获得快速混和。
B00C 年 8DEF%) 等人
!"!# 器件与技术
!"!# $%&’(% ) *%(+,-.-/0
微混合器研究进展
朱 丽,侯丽雅,章维一
$%&&’()
(南京理工大学机械工程学院,南京
摘要:微混合器作为微全分析系统重要的组成部分,是目前微机电系统(!"!#)领域内的研究 热点。文章介绍了微混合器的设计要求与目标、加工方法与材料的选择、微混合的特点与混合机 理。微混合器一般可分为主动混合器与被动混合器,基于此分类方法,文章综述了微混合器的国 内外研究现状,并讨论了目前研究中存在的一些问题,展望了微混合器的研究前景。 关键词:微机电系统;微全分析系统;微混合器;主动混合器;被动混合器 中图分类号:5/2/62 文献标识码:7 文章编号:!83!90338 ("##2 )#09#!809#4
图C 快速涡流式微混合器
[L]
[G]
E(++&’% 等人
与徐溢等人
[M]
研究了按层流
原理设计制作的交叉分液汇合式微混合器。其基本 原理为:因扩散时间与扩散距离的平方成正比,通 过将液流分裂成多个薄层液流,可以缩短液流间的 扩散距离,显著降低混合时间。该微混合器的结构
!""# 年第 $ 期
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微纳电子技术
!""# 年第 $ 期
!"!# 器件与技术
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是直柱状的,不能做成口小肚大的腔;不能得到有 凹凸底部的形状。 !"#$ 技术用于复杂形状的制作 要与接合(粘、焊、键合)技术等配合来实现。 模塑法加工微管道,首先要用光刻和刻蚀的方 法制出微管道部分突出的阳模,然后在阳模上浇注 液态高分子材料,将固化后的高分子材料与阳模剥 离后就得到微管道基片,接着再与盖片进行封接。 热压法(%&’ ()*&++,-. )是一种快速复制微管 道的技术,一般由钢架、加热与冷却系统、模具、 基片平台及加压系统组成整套装置。热压法也需要 先制出阳模,在加热装置中将聚合物基片加热至软 化温度,通过在阳模上施加一定压力并保持 /0120 +, 便可在聚合物基片上压制出与阳模凹凸互补的微管 道结构。 激光烧蚀法(!3+(4 3*53’,&- )直接根据计算机 合;$ 混沌对流,即通过增强流体界面区域的拉伸 与折叠,以产生更大的流体间接触面积,从而实现 更快速的混和。 一般微混合器主要分为被动混合器与主动混合 器两种。主动混合器有外加扰动源,而被动混合器 一般只需要引起流体流动的压力源即可。
6$7 数据在金属、塑料 、 陶 瓷 等 材 料 上 加 工 复 杂
的微结构,是一种非接触式的加工工具。 软光刻 ( 8&9’ 5,’%&.43:%; ) 是 相 对 于 微 制 造 领 域中占主导地位的光刻而言的微图形转移和微细加 工新方法,克服了光刻技术不能在曲面上加工微结 构的缺点,而且无需昂贵的设备与超净的实验室环 境。以自组装单分子层、弹性印章和高聚物模塑技 术为基础,其核心是图形转移元件— — —弹性印章, 方法一般有微接触印刷法、毛细微模塑法、转移微 模塑法和复制微模塑法等。
微纳电子技术
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