微混合器研究进展
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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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。
微反应器在有机合成及催化中的应用
序言微反应器（Microreactor）是一种微型化的化学反应器，通常由微流控芯片制成，具有高表面积与体积比，可实现反应条件的精确控制。
由于其小尺寸和高效性能，微反应器在有机合成和催化领域中得到了广泛的应用。
本文将详细介绍微反应器的应用背景、应用过程和应用效果，并概述了目前的研究进展和发展趋势。
1. 应用背景有机合成和催化是现代化学领域的重要课题，包括药物合成、高分子材料制备、精细化工等。
传统的有机合成通常使用批量反应器进行，但存在反应效率低、副反应多、操作复杂等问题。
传统反应器的体积较大，导致反应物与催化剂之间的质量传递速度较慢，难以实现高效快速的反应。
同时，传统反应器的温度和压力控制也较为困难，往往需要大量的反应时间和试剂。
微反应器作为一种新兴的化学反应器，具有小体积、高比表面积和微流控的优势，能够精确控制反应条件，提高反应效果和产率。
此外，微反应器还可以通过设计反应通道和催化剂载体的结构，优化反应路径和催化剂分布，提高反应速率和选择性。
因此，微反应器在有机合成和催化中具有广阔的应用前景。
2. 应用过程微反应器的应用过程通常包括芯片设计、实验操作和数据分析三个步骤。
2.1 芯片设计微反应器的芯片是整个反应体系的核心组成部分。
芯片的设计要考虑到反应物和催化剂的输入输出、反应通道的形状和尺寸、温度和压力的控制等因素。
通常，芯片可以由玻璃、硅胶或聚合物制成，具有一定的耐温性和耐腐蚀性。
在芯片的设计过程中，需要根据具体的反应类型（如氧化、还原、羰基化、催化等）进行反应通道的设计。
为了提高反应效率和选择性，可以设计不同形状和尺寸的通道，并在通道中加入催化剂载体或涂覆催化剂来增加催化剂的活性和稳定性。
2.2 实验操作在微反应器中进行实验操作过程中，首先需要将反应物输入到芯片中。
反应物可以通过微流控系统进行输送，控制流速和流量。
此外，还可以通过控制压力差实现反应物的输入。
然后，在芯片中进行反应过程。
温度和压力的控制是微反应器中的关键步骤。
一种基于多重涡流新型微混合器的设计与实验
枝形微混合器研究进展
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
混合型超级电容器的研究进展
化
学
进
展
PROGRESS IN CHEMISTRY
Vol. 23 No. 2 /3 Mar. ，2011
混合型超级电容器的研究进展
刘海晶 夏永姚
*
（ 复旦大学化学系 上海市分子催化与先进材料重点实验室 新能源研究院 摘 要
上海 200433 ）
2 4
Contents
1 2 2. 1 2. 2 3 3. 1 3. 2 3. 3 3. 4 3. 5 3. 6 3. 7 4 Introduction Synopsis of electrochemical supercapacitor Principle and classification of supercapacitor Characteristics of supercapacitor Researches and progress of hybrid supercapacitor Activated carbon / NiOOH （ FeOOH ） hybrid supercapacitor Li 4 Ti 5 O 12 / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / graphite hybrid supercapacitor Lithium-ion battery carbon materials / activated carbon hybrid supercapacitor Aqueous lithium-ion battery materials / activated carbon hybrid supercapacitor Activated carbon / metal oxides hybrid supercapacitor Activated carbon / polymer hybrid supercapacitor Conclusions and outlook
基于微流控技术的微混合器技术浅析
基于微流控技术的微混合器技术浅析作者：裴雪菲来源：《中国化工贸易·上旬刊》2017年第06期摘要：本文浅析了基于微流控技术的微混合器技术的原理、分类和发展方向。
关键词：微混合器；原理；分类；发展方向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。
自20世纪90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。
其中，微混合器作为微化工技术中的一个重要组成部分，近年来受到了各国研究者的高度关注。
1 微混合器技术概述1.1 微混合概述微混合器可实现流体间快速、均匀的混合，且混合体积小，具有常规混合技术不可比拟的优势。
微混合器内的混合主要依靠扩散和混沌对流来实现，要达到完全混合需要相当长的时间。
所以，在微尺度下如何进行流体的快速混合是至关重要的。
1.2 微混合原理微混合系统中，其基本混合机理如下：①层流剪切。
流动截面上不同流线之间产生相对运动，引起流体微元变形、拉伸继而折叠，增大流体间的界面。
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，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。
由于微通道当量直径可低至几个微米，分子扩散路径大大缩短，仅依靠分子扩散就可在极短的时间内实现均匀混合。
2 微混合器的主要类型及其研究示例根据混合过程中能量驱动的方式与原理，微混合器主要可分为两大类：主动式混合器与被动式混合器。
一般情况下，主动式混合器能够快速实现组分的完全混合，但需要更加复杂与苛刻的加工工艺与过程。
被动式混合器的主要原理是单纯通过微泵驱动或电渗等为动力，只依赖于混合器自身的几何形状所产生的特殊流动状态来达到一定的混合效果，但它的缺点是混合通道与混合时间都较长。
2.1 分层式微混合器分层式微混合器是一种被动式微混合器，其主要是通过各种微结构将来流分为许多薄层，以达到减小扩散距离和增加接触面积的作用。
用于微流控芯片的PDMS微混合器工艺和数值分析
。本 文提出的微混 合器是
依靠改变微通道的外形来增大流体间微接触面积， 以达到提高混合效率的目的， 是一种被动式微混合 器。
# " 微混合器的加工工艺研究
到目前为止， 微混合器的加工材料选择经历了 若干个发展阶段， 从最初的硅材 料发展到玻璃、 石
9 9 收稿日期： "##!:#;:"<； 修订日期： "##!:#!:"= 9 9 作者简介： 陈实 （$<=$ > ） ， 男， 湖南人， 硕士， 主要研究
向为 %/%? 微流体。
第 ! 期"
陈实等： 用于微 流控芯片的 #$%& 微混合器工艺和数值分析
8:
一层厚度为 ’(( !) 的 &*+, -(( 型负胶， 甩胶在德 国 ./01 &233 公司生产的自动甩胶机上进行， 然后前 烘以使光刻胶固化。研究发现， ’(( !) &*+, 胶前 烘条件为： !’ 4 烘 5( )67， 升温 8( )67 到 ,’ 4 烘 5 9， 升温到 :’ 4 烘 -’( )67。前烘后进行切胶， 以 使胶表面平整， 同时达到所需厚度。曝光是在德国 ./01 &233 公司 %;! 光刻机上进行， 紫外曝光波长为 5!’ 7) ， 曝 光 功 率密 度 为 -< )= > ?) < ， 本文得出 ’(( !)厚的胶的最佳曝光时间为 5’( 3 。显影是在 &*+, 胶专用的粗细两种显影液中进行， 之后用异丙 醇溶液融掉硅片表面残留的显影液。 !" !# 复制压模制作 #$%& 微通道 把 #$%& 树脂和凝固剂 （ 罗迪亚公司， @+5(8(; 和 @+5(8(A ） 按照体积比 -(B - 的比例均匀混合， 然 后置于真空箱内脱气泡 5( )67 C ’( )67， 将胶体浇 铸到含模具的硅片表面， 接着固化， 烘箱内 !’ 4 烘 约 8 9， 完成后， 将其从模具上揭下， 得到含有与模具 相同图形的 #$%& 基底 （ 如图 - 所示） 。
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中等雷诺数区域（10<Re<100）： Liu等报导了一种由“C”型微混合单元串联并 垂直排列而成的三维蛇形微混合器
“T”型入口方式，六个微混合单元，微通道总长度为 20mm。仅在相对高的雷诺数下（Re=25~70），混沌 对流才能够发生
从动式
——混沌对流
中等雷诺数区域（10<Re<100）：
“L”型
注射式微混合器二维模型
c*
c 2 Q2 /(H )
Miyake等采用DRIE方法在硅片方形混合室内加工了400个喷嘴； Larsen等利用CFD模拟方法研究了喷嘴形状对混合的影响；
从动式
——混沌对流
对混合微通道内部或外部形状进行一定形式的修饰， 原理： 使流体层发生分割、拉长、折叠和破裂等现象，以 强化混合过程
机械微加工 湿法刻蚀 干法刻蚀 高分辨刻蚀(LIGA) 注塑 原位聚合 热压 气相沉积 软刻蚀
（二）微混合器内流体流动特点
尺度小
（0.01mm~10mm）
2 L Einstein理论： t 4D
Re<2000
层流
扩散！！！
水分子扩散10µ m约需1s 扩散1mm约需1000s 流体性质本身、温度 和一些常数有关 操作和加工难度
Seminar Ⅱ
微混合器研究进展
学生： 赵玉潮
导师： 袁 权
陈光文
院
士
研究员
微化工技术组
2006/5
主要内容
材质与加工方法
流动特性分析
微混合器分类
混合效果评价方法
（一）材质与加工方法
不锈钢 铝片 硅 石英和玻璃 硬质高分子聚合物 弹性聚合物 光敏聚合物
主动式
其它能量形式
磁动力：在外加磁场作用下，电极上产生直流 电，使电解质溶液中带电粒子受到罗仑兹力， 并带动流体翻转、折叠，增加接触面积； 超声波：用声波来搅拌微混合器内的流体； 电动力：通过外加电流，改变电渗流速度大小 和方向，产生混沌对流，达到强化混合过程的 目的； 热扰动：改变扩散系数D，如利用热泡产生流 体扰动，以强化混合过程
分割－汇合
分割－分割－汇合
从动式
——串联迭片
通过优化微通道结构，使流体层层叠加，He等设计了一种 小体积、小流速的微混合器
K0
从动式
——注射式微混合器
定义： 一相主体流顶部或底部存在一系列喷嘴，而另一种流体通 过这些喷嘴喷射入主体流中形成羽状流，这种羽状流能够 增加两相接触面积和减小混合路径，强化混合过程
从动式
——平行迭片
二次流现象：与流体主流方向垂直， 强化混合过程
边界层分离：这种分离能够形成漩涡，使流体层破 裂形成转动方向不同的小漩涡，减少 扩散距离，强化混合过程 微尺度下通道内存在弯曲点、不规则突起或节点时， 使二次流和边界层分离容易发生
“Z”字型微混合器
从动式
——平行迭片
“水力学聚焦”原理微混合器，减小横向扩散路 径
“T”型微混合器 “Y”型微混合 器 研究微尺度下传递现象的理想设备，如放大（缩小）法则、蝴蝶 效应、以及其它非线性现象 Kockmann 把微通道内层流区域流型分为三种情况：即严格层 流、涡流、席卷流；Wong等发现Re数在400～500，流速达 7.6m/s，流体能够较好混合，压力高达700kPa，给微反应系统 的封装和连接带来了挑战！
contacting
Decrease of diffusion path
High energy collision
（三）微混合器分类
脉冲扰动
电场扰动
主动式 能量种类 磁动力 电动力 超声波 微混合器 有无动力源 热扰动 并行迭片 从动式 作用原理 串联迭片
混沌对流
注射/喷射
从动式微混合器的特点
优点 缺点 混合时间长 混合效果差
中等雷诺数区域（10<Re<100）：
Hong等通过热模压和热键合在环烯烃聚合物上加 工出了一种修饰的Tesla结构微混合器
Coanda效应：使流体回流， 由于回流的方向与主流方向 相反，可以大大加强混沌对 流，极大地强化混合效果 结果表明：当Re>5时混合 效果就能达到理想效果
从动式
——混沌对流
T 布朗运动的扩散系数：D 6dp
强化混合过程
L
注意：两流体间接触面积，二次流（横向速度）， 外加能量，微通道结构和壁面
微尺度下混合原则
Injection of substream
Periodic injection
Splitting and recombination
Injection into a main stream Forced mass transport
改进 “L”型 流动折叠拓扑结构
旋转型
其它类型微混合器
从动式
——混沌对流
低雷诺数区域（Re<10）： Johnson等首次发现微通道壁 面上的凹槽能够产生混沌对流， 以电力驱动流体流动，在低雷 诺数下就能获得较好的混合效 果： Stroock等研究了两种 不同凹槽结构对混合的 影响，如交错排列的箭 尾形结构
K 0 ( Pe r * / 4) / Pe c ( r , ) exp Pe(r * 1) / 4 K1 ( Pe / 4) K 0 ( Pe / 4) cos
* *
cos
式中，K0，K1分别为第二类变形贝塞耳函数；Pe数 和无量纲浓度c*分别为：
Pe 2UR / D
主动式微混合器的特点
优点 缺点 不易集成
混合时间短
混合距离短
成本较高
制作困难
可选择性大
适于极低Re数
材质要求高
主动式
脉冲扰动
压力扰动
速度脉冲侧线进料
微搅拌（外加电磁场）
主动式
电场扰动
Moctar等把电极置于微通道内，改变电极两端 电压和频率，使两种不同性质的流体按不同轨 迹运动，在微通道内产生混沌对流，结果发现 在Re=0.02时就能达到较好混合效果
惯性对流子域 粘性对流子域 粘性扩散子域 宏观湍流分散
结构简单
操作稳定 容易集成 浓
度 成本较低 脉 动 易自动化 谱
介观粘性变形
微观分子扩散
பைடு நூலகம்
流体间的剪切 和小尺度拉伸、折叠
接触面积 扩散路径
从动式
——平行迭片
设计理念： 两股流体通过两个入口同时进入一个长的 混合微通道，接触后相互扩散而进行混合 研究最多、最简单、最重要的微混合器：
时间交叉分段与“水力学聚焦”组合式微混合 器
从动式
——平行迭片
IMM公司的Ehrfeld小组设计了一种交趾式微混和器
从动式
——串联迭片
定义：入口两流体首先水平呈一股流体流动，然后被 垂直分割，再水平汇合，重复此过程，经过m 次汇合和分割后，则会出现2m层薄层流体，能 够使混合时间减小4m-1倍
串联迭片