专利名称：一种微分散气泡强化混合的方法
技术领域：
本发明属于化工技术领域，特别涉及一种微分散气泡强化混合的方法，具体地说， 涉及一种利用微孔分散气泡加剧体系湍动、强化混合的方法。
背景技术：
混合过程的强化是化工生产过程改进和产品品质提高的重要环节，通常情况下快速混合对于提高传递效率、保证过程安全可控具有重要意义。自20世纪90年代以来，通过微型化工器件来强化混合和安全生产的研究日益增多，目前常用的方法主要有(1)被动式微混合-通过微结构的设计，增加流体间的接触面积，减小流体扩散距离和实现流体间对流流动；( 主动式混合-通过外场，如电场、温度场、磁场和超声场等强化作用实现。这些方法或者受微设备结构和体系所限，对混合性能的提高有限；或者工艺复杂、成本较高。另一方面，利用微分散气泡加剧体系湍动对于强化混合有很好的性能，体系传热传质效率高，有助于解决过程因传递限制而导致的安全性、可控性差的问题。
发明内容
本发明旨在提出一种新的强化混合的方法。其原理在于利用流体剪切的微孔分散得到了大量尺度微小的气泡，使体系中的湍动加剧，同时保证了混合的均勻性，从而实现不同流体间的快速混合，为强化传质和反应创造条件。本发明提供的微分散气泡强化混合的方法，将气体通过微孔，从垂直方向分散到水平流动的A流体中，气体被错流剪切成微小气泡，随A流体流动，之后B流体再通过其它微孔，从垂直方向分散到含有气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。所述的气体不溶于A流体和B流体。根据A流体和B流体来选择气体，只要不溶于A流体和B流体、并不与体系内各反应物和产物发生化学反应即可。以溶液作为B流体，以Na0H、H3B03、KI和KIO3的溶液作为A流体时，可以采用的气体列举如下氮气、氩气、氦气等气体。所述的微孔当量直径为0. 2 1000微米。本发明还给出了适合的A流体的流速、B流体通过微孔的速度及气体通过微孔速度，A流体的流速为0. 1 5m/s，气体通过微孔的速度为1 20m/s，B流体通过微孔的速度为 0. 1 5m/s。具体的说，本发明所述方法包括如下步骤1)使A流体按流速0. 1 5m/s流动；2)将气体以1 20m/s的流速穿过微孔后，从垂直方向加入到水平流动的A流体中，以微小气泡的形式分散其中；3)使B流体以0. 1 5m/s的流速穿过其它微孔后，从垂直方向加入到上述已分散气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。本发明的方法在微分散气泡加剧体系湍动的作用下，实现了 A流体和B流体间的快速混合。本发明的有益效果为利用此方法可以强化体系混合，为强化传质和反应创造条件，其工艺成本低、处理能力大、操作简便、重复性和稳定性好。
具体实施例方式下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。对比例1:通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。这个反应体系包含一个酸碱中和反应和一个氧化反应，反应步骤如下所示H2BO-+H+ ^H3BO3 (瞬时反应)(1)
5I+IO;+6H+— 3I2+3H20(2)
I2+I-叫(3)在上述反应中，(1)为酸碱中和反应，反应速度极快，是一个瞬时反应。反应(2)的反应动力学则比较复杂，反应速率与体系的离子强度I相关。生成的I2迅速转化为I〗，实验中通过紫外吸收光谱检测I〗的浓度，可以计算得出反应O)的反应生成量。当反应(2)发生时其收率为Y，而当混合处于完全非理想状态，(1)与( 按化学计量比发生反应，此时收率为Yst，定义分隔因子& = Y/YST，用于表征混合性能的定量指标。对于理想的快速混合， Xs为O ；而当混合速率极慢，处于完全非理想混合状态时，&为1。一般情况下，&处于O到 1之间，数值越小表示混合越理想。实验中以H2SO4溶液作为B流体，Na0H、H3B03、KI和KIO3的溶液作为A流体。在传统的搅拌反应器中，B直接加入A中与之混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 13。对比例2:通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3> KI和KIO3的溶液作为A流体。在压差的作用下，B流体以lm/s的流速穿过当量直径为200微米的微孔与流速为0. 2m/s的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0242。实施例1 通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3、KI和KIO3的溶液作为A流体。将0. 2MPa的氮气以2m/s的流速穿过当量直径为0. 2微米的微孔，从垂直方向加入到流速为0. 2m/s的A流体中，以微小气泡的形式分散其中。之后在压差的作用下，B流体以lm/s的流速穿过当量直径为200微米的微孔与已分散气泡的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0091。对比例3:通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3> KI和KIO3的溶液作为A流体。在压差的作用下，B流体以0. 2m/s的流速穿过当量直径为600微米的微孔与流速为lm/s的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0120。实施例2 通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3、KI和KIO3的溶液作为A流体。将0. 2MPa的氩气以5m/s的流速穿过当量直径为0. 2微米的微孔，从垂直方向加入到流速为lm/s的A流体中，以微小气泡的形式分散其中。之后在压差的作用下，B流体以0. 2m/s的流速穿过当量直径为200微米的微孔与已分散气泡的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0078。实施例3 通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3> KI和KIO3的溶液作为A流体。将0. 2MPa的氦气以lm/s的流速穿过当量直径为0. 2微米的微孔，从垂直方向加入到流速为0. lm/s的A流体中，以微小气泡的形式分散其中。之后在压差的作用下，B流体以0. lm/s的流速穿过当量直径为1000微米的微孔与已分散气泡的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为 0.0083。对比彳列4:通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，NaOH、H3BO3> KI和KIO3的溶液作为A流体。在压差的作用下，B流体以5m/s的流速穿过当量直径为200微米的微孔与流速为lm/s的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0103。实施例4 通过“Villermaux/Dushman”反应体系表征混合性能。实验中以H2SO4溶液作为B 流体，Na0H、H3B03、KI和KIO3的溶液作为A流体。将0. 2MPa的氮气以20m/s的流速穿过当量直径为0. 2微米的微孔，从垂直方向加入到流速为lm/s的A流体中，以微小气泡的形式分散其中。之后在压差的作用下，B流体以5m/s的流速穿过当量直径为200微米的微孔与已分散气泡的A流体混合，利用紫外吸收光谱检测产物浓度，计算得到分隔因子为0. 0011。本发明方法以H2SO4溶液作为B流体，以NaOH、H3B03、KI和KIO3的溶液作为A流体。但并不局限于此两种流体的混合，只要是需要混合的两流体，采用本发明的方法，均可强化混合，实现两流体的快速混合。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
权利要求
1.一种微分散气泡强化混合的方法，其特征在于将气体通过微孔，从垂直方向分散到水平流动的A流体中，气体被错流剪切成微小气泡，随A流体流动，之后B流体再通过其它微孔，从垂直方向分散到含有气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的气体不溶于A流体和B流体。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于以溶液作为B流体，以Na0H、H3B03、 KI和KIO3的溶液作为A流体。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于采用的气体为氮气、氩气或氦气等气体。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的微孔当量直径为0.2 1000微米。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于A流体的流速为0.1 5m/s，气体通过微孔的速度为1 20m/s，B流体通过微孔的速度为0. 1 5m/s。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤1)使A流体按流速0.1 5m/s流动；2)将气体以1 20m/s的流速穿过微孔后，从垂直方向加入到水平流动的A流体中，以微小气泡的形式分散其中；3)使B流体以0.1 5m/s的流速穿过其它微孔后，从垂直方向加入到上述已分散气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。
全文摘要
本发明公开了属于化工技术领域的一种微分散气泡强化混合的方法，具体地说，涉及一种利用微孔分散气泡加剧体系湍动、强化混合的方法。将气体通过微孔，从垂直方向分散到水平流动的A流体中，气体被错流剪切成微小气泡，随A流体流动，之后B流体再通过其它微孔，从垂直方向分散到含有气泡的A流体中，实现A流体和B流体的混合。所述的气体不溶于A流体和B流体。利用此方法可以强化体系混合，为强化传质和反应创造条件，其工艺成本低、处理能力大、操作简便、重复性和稳定性好。
文档编号B01F13/02GK102160972SQ20111006352
公开日2011年8月24日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者吕阳成, 杜乐, 王玉军, 骆广生 申请人:清华大学