一种强化微反应器内气液过程的方法
【专利摘要】本发明涉及一种强化微通道内气液过程的方法。在气液两相流形为泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流或环状流的气液微反应器中施加特定频率的超声，调控气液两相流中气相横向等效直径和超声频率，使超声频率与气相横向等效直径的乘积达到1-40mm·kHz。本发明利用超声与气相的空化作用，在液体中引起扰动和声流，从而强化气液传质；同时可破坏流体中固体或粘稠物之间的团聚或在微通道壁面的粘附，从而预防和疏通堵塞。本发明的气液过程强化方法适用于各种气液反应、气体吸收、气体分离净化等领域。
【专利说明】一种强化微反应器内气液过程的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于化工过程强化方法、化工设备、超声应用等领域，具体地说是一种利用超声强化微通道内气液传质、同时防止堵塞的方法。
【背景技术】
[0002]微反应器是指内部结构特征尺寸在数微米至数毫米尺度的化工设备。这种内部结构通常也称作微通道。相对于传统的气液接触器或反应器，例如搅拌釜、鼓泡塔、降膜接触器等，气液微反应器具有比表面高、传热传质速度快、操作安全、易于放大、占地空间小等优点。因此气液微反应器在气液反应、气体吸收、气体分离净化等领域有广泛的应用前景。
[0003]但气液微反应器技术也存在一些缺点。微反应器内的微通道尺寸小，因此容易被杂质或者工艺流体堵塞，特别是在处理含固体或者生成固体或者粘度很大的流体时。另外，由于微通道尺寸小，流动通常处于层流状态且表面张力作用显著，使微通道内气液传质的强化比较困难。
[0004]目前，微通道内气液过程的强化方法主要是将微通道设计成弯折、障碍、碰撞等结构来增强气液的相对运动，并在局部引起润流来强化传质。J.Tan等(J.Tan, Masstransfer performance of gas - liquid segmented flow in microchannels, ChemicalEngineering Journal 181 - 182(2012)229 - 235)将微通道设计成圆弧形来强化气液传质，发现曲率半径为1mm的微通道相对直通道传质系数提高了 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)测试了美国康宁公司专利PCT101873890A所述的心形结构的微反应器强化气液传质的结果，发现气液传质系数比传统搅拌釜高一个数量级。
[0005]以上这些将微通道设计成弯曲障碍等结构来强化气液传质的方法在一些场合可以达到比较好的结果。但该方法一般只适用于流速比较高的场合，在流速比较低时传质效果比较差。另外，将微通道设计成弯曲障碍等结构使微通道更容易堵塞。
【发明内容】
[0006]为了解决上述问题，本发明人进行了深入研究。发现:如果在气液微反应器中施加超声，利用超声与气相的空化作用，使微通道内的气液相界面剧烈振动和运动，并在液体中引起扰动和声流，从而能有效强化气液传质。输入的超声声强越大，气液传质效果越好。气液传质效果主要由声强大小来控制，不管在高流速还是低流速，都可以达到很强的传质效果。另外，超声作用下微通道壁面的振动和气液相界面剧烈振动所引起扰动，可破坏流体中固体或粘稠物之间的聚集以及固体或粘稠物在微通道壁面的粘附，从而可以预防和疏通堵塞。因此，这种利用超声强化气液过程的方法流速适用范围宽、能有效强化传质、还可以防止和疏通微通道的堵塞。
[0007]本发明基于上述研究和解析提出以下技术方案:
[0008]在气液微反应器中施加特定频率的超声，使微通道内气液两相的气液相界面在超声空化作用下剧烈振动运动。其中，气液两相流形选择为泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流及环状流中的一种。
[0009]在所述的气液微反应器中，气液两相流形中的气相，其横向等效直径为10-5000 μ m ;施加的超声频率为16-600kHz。超声频率f与气相横向等效直径d的匹配关系为 f*d=1 -40mm.kHz,优选 f*d=4_30mm.kHz。
[0010]气液两相流形在化学工程领域是一个公知的概念，是指气相于液相中形状。在微反应器中，泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流及环状流是最常见的几种气液两相流形。
[0011]所述的气相横向等效直径为气液流形中气相在垂直于流动方向上的截面等效直径。当气液两相流形为泡状流时，截面等效直径即为气泡的直径；气泡直径和数量可由气液两相的流速来调控；当气液两相流形为弹状流、弹状环状流时，气相的截面等效直径主要由微通道的横截面尺寸来调控；当气液两相流形为搅拌流及环状流时，气相的横向截面等效直径由微通道的横截面尺寸和气液两相的流速同时来调控。
[0012]在所述的气液微反应器中，可以将超声换能器粘接在微反应器外表面，使超声传导进入微反应器；也可以将超声换能器集成在微反应器内部，使超声直接传导进入微通道；还可以将整个微反应器放入超声清洗槽中。
[0013]本方法利用超声与气相的空化作用，使微通道内的气液界面剧烈振动和运动，并在液体中引起扰动和声流，从而能有效强化气液传质。输入的超声的声强越大，气液传质效果越好。在一定的声强下，当超声频率f与气相横向最小尺寸满足上述的匹配关系时，超声与气相达到共振，此时气液界面振动和运动最剧烈，在液体中引起的扰动和声流最显著，因此气液传质强化效果最好。高于或者对于该匹配关系，超声与气相不能达到共振，此时气液界面振动和运动较弱，强化效果较差。
[0014]本方法可应用于气液两相流形为弹状流或环状流时，采用频率16-600kHz和声强高于0.5ff/cm2的超声进行气体吸收的气液过程强化。
[0015]本方法可应用于气液两相流形为弹状流时，采用频率16-600kHz和声强高于
0.5ff/cm2的超声进行涉及固体的气液反应过程的强化。
[0016]本方法可以应用于各种气体吸收过程的强化，例如二氧化碳、二氧化硫等气体的物理吸收、化学吸收过程。也可以应用于各种气液化学反应过程，特别是涉及固体的反应过程。所谓涉及固体的反应过程，是指有固体作为反应物、催化剂等参与反应，或生成产物中有一部分为固体的反应过程。
[0017]本发明在弹状流和环状流下，通过施加频率20千赫兹的超声，可见气液传质系数提高大约9倍，气体吸收率大幅提高。本发明还可以用于强化涉及固体的气液反应，可以有效防止和疏通堵塞。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明所有实施例所用的微通道结构示意图。其中，I为液体入口通道，2为气体入口通道，3为主通道。
[0019]图2为本发明实施例3中微通道的压降变化曲线。
【具体实施方式】
[0020]下面通过实施例来进一步说明本发明。
[0021]下述所有实施例所涉及的微反应器为单通道微反应器，微通道结构如图1所示。图1中，I为液体入口通道，2为气体入口通道，两者深皆为ΙΟΟΟμπκ宽500μπι。3为主通道，即气液过程通道，主通道深1000 μ m宽1000 μ m,长度90mm。
[0022]实施例1气液物理吸收过程强化
[0023]本实施例以在气液微反应器中利用超声强化物理吸收过程为例。在微通道的液体入口通道I通入去离子水，流量为2ml/min，在气体入口通道2中通入纯二氧化碳，流量为
1.65ml/min。如图2所示，通入的气体在主通道3中形成连续的弹状流，气泡的横向等效直径约1000 μ m。未加超声时，由于二氧化碳被水的吸收，吸收率为26.7%。当施加工作频率20千赫兹、声强1.5ff/cm2的超声时,气液传质加快,二氧化碳的吸收率为56.3%。根据传质模型可计算气液总体积传质系数，发现未加超声时总传质系数为0.1Os'加超声后总传质系数增加到0.87s-1，提高了大约9倍。可见超声对气液弹状流传质的强化效果明显。
[0024]实施例2气液化学吸收过程强化
[0025]本实施例以在气液微反应器中利用超声强化化学吸收过程为例。在微通道的液体入口通道I通入质量分数20%的一乙醇胺MEA (分子式NH2CH2CH2OH)溶液，流量lml/min，在气体入口通道2中通入10%二氧化碳气体(平衡气为氮气)，流量20ml/min，通入的气体在主通道3中形成环状流，气相的横截面直径约900 μ m。气体和MEA溶液通入主通道3后，相互接触传质并发生化学反应使二氧化碳被MEA溶液化学吸收。反应器出口反应完的物料用常用的气液分离罐进行气液分离，并用二氧化碳分析仪测量气体中二氧化碳的浓度，则可计算二氧化碳的吸收率。未加超声时，二氧化碳吸收率为55.1%。当施加工作频率18千赫兹、声强1.5ff/cm2的超声时，吸收率提高到89.3%。可见超声强化气液传质效果明显。
[0026]实施例3、生成固体的气液反应过程强化
[0027]本实施例以在气液微反应器中利用超声强化生成固体的气液反应过程为例。在微通道的液体入口通道I通入质量分数为5%的(NH4)2SiF6溶液，流量10ml/min，在气体入口通道2中通入纯NH3气体，流量10ml/min。(NH4)2SiF6溶液和NH3气体通入主通道3后，形成弹状流，并相互接触传质、发生化学反应生成氧化硅固体颗粒。未加超声时，主通道3内生成的氧化硅固体颗粒沉积在通道壁面，并随时间推移越积越多，压降随之逐渐增大。大约15分钟后通道3堵塞，压降升高到0.95MPa (见图2)，反应器出口没有流体流出。此时，给反应器施加频率25千赫兹、声强为1.5ff/cm2的超声，反应器的压降立即下降到0.03MPa，反应器出口立即有流体流出。在该超声的作用下，反应器连续运行5小时未见明显的压力波动，压力一直在0.03-0.05MPa。可见该方法确实能有效预防和疏通微通道堵塞。
【权利要求】
1.一种强化微反应器内气液过程的方法,在气液微反应器中施加特定频率超声，使微通道内气液两相的相界面在超声空化作用下剧烈振动运动，其特征在于:气液两相流形为泡状流、弹状流、弹状环状流、搅拌流及环状流中的一种，气液两相流形中的气相，其横向等效直径为10-5000 μ m ;施加的超声频率为16-600kHz。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于:所述的在气液微反应器中施加的超声，超声频率f与气相横向等效直径d的匹配关系为f*d=l-40mm.kHz。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于:所述的在气液微反应器中施加的超声，超声频率f与气相横向等效直径d的匹配关系为f*d=4-30mm.kHz。
4.根据权利要求1?3任一所述的方法，其特征在于:气液两相流形为弹状流或环状流，采用频率16-600kHz和声强高于0.5ff/cm2的超声进行气体吸收的气液过程强化。
5.根据权利要求1?3任一所述的方法，其特征在于:气液两相流形为弹状流，采用频率16-600kHz和声强高于0.5ff/cm2的超声进行涉及固体的气液反应过程的强化。
【文档编号】B01J19/10GK104162395SQ201410109267
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年3月21日 优先权日:2014年3月21日
【发明者】陈光文, 董正亚, 袁权 申请人:中国科学院大连化学物理研究所