液滴流微反应器的基础研究及其应用

综述了近些年来快速发展的液滴微流控技术, 回顾了微流控系统中液滴的基本行为, 如液滴的生成、运动、聚并和分裂等研究进展, 重点探讨微液滴作为反应器其内部的流动、传质和反应过程, 以及液滴流微反应器已有的和潜在的重要应用价值。通过精确调控液滴在微尺度上的行为(产生、聚并与分裂、内部的混合与反应等), 使单个液滴成为新型受限空间内的微型间歇反应器, 而微通道内的液滴流进而形成了若干间歇反应器构成的连续流反应器新型式。除了微流控技术普遍具有的微小尺寸效应带来传质传热强化、易于放大等优势外, 液滴流微反应器还具有诸如避免试剂交叉污染、液滴内部可控混合、易于独立调控、便于高通量筛选或者制备等独特特点, 使得其在功能材料制备、化学合成以及生物化工方面有着广泛的应用。     

气液喷射反应器内液滴粒径分布PLIF研究

气液喷射反应器是一种高强度反应器,反应器内部液滴粒径大小和分布对反应收率和选择性具有决定性影响。本文建立了气液喷射反应器内液滴粒径分布测量实验装置,并利用面激光诱导荧光（PLIF）技术对气液喷射反应器内液滴粒径分布进行了研究,得到不同气液流率情况下的液滴粒径的分布规律,结果显示：液相流率不变时,随气相流率的增大,反应器内液滴平均粒径逐渐减小,分布范围变小; 气相流率不变时,随液相流率的增大,液滴平均粒径逐渐减小,粒径分布趋于集中。     

微流控双水相贴壁液滴流动强化酶促反应研究

以微流控双水相液滴流技术为基础,开发了一种酶促反应平台,将微流控贴壁液滴流快速传递、高效混合的特点与双水相反应分离耦合过程优化结合。本体系克服了传统宏观双水相体系传质传热慢以及耗时耗能的问题,并建立了贴壁液滴微反应器,产生更大的内环流,进一步增强传质效果。探究了双水相液滴界面的分子限域能力、对酶和产物的选择性分配能力。通过比较贴微通道壁和未贴微通道壁两类液滴微反应器的酶促反应效果,发现贴微通道壁液滴微反应器仅6 min转化率即可达到40%,其反应速率可达未贴微通道壁液滴微反应器9.4倍。本文通过微流控双水相贴壁液滴流实现了酶促反应的强化,为微尺度下的酶催化反应过程强化提供了一种新的思路。     

撞击流反应器用于甲醇合成反应

撞击流反应器用于气液固三相甲醇合成反应可以充分发挥其优良的传热、传质性能。在撞击流反应器内,催化剂浆料经喷嘴雾化后成微米尺度的液滴,气液相间接触面积远大于其他三相合成反应器。考察了温度、压力、气体流量、浆料循环量以及喷嘴个数对甲醇合成反应的影响,结果表明,当压力从3.8 MPa上升到5 MPa时,反应器的时空产率增长了近1倍,气体流量达22.4 L·min^-1后时空产率几乎不再变化,增加浆料循环量以及在同一循环量下采用多喷嘴对置都可以增加催化剂时空产率。同时,与固定床、搅拌釜和浆态鼓泡床甲醇合成进行了对比,结果表明,在低空速下撞击流反应器与其他反应器时空产率相当,而在高空速下要优于其他反应器。     

错流旋转碟片超重力场中液滴直径的研究

错流碟片旋转超重力场反应器能够有效强化多相间化学反应,在超重力场中流体流动形式复杂,且液体的分布形态严重影响气液接触。通过条件简化采用因次分析方法建立了错流碟片旋转超重力场中液滴直径变化的数学模型,用三维激光多普勒衍射仪测试液滴的体积-表面积平均直径d32和变化规律。由模型分析和实验测试得出,随碟片转速增加液滴直径减小;随输入液体流量增大液滴直径增大;随入口气体流量增加,碟片空间和壳体空间液滴直径都变小。增加碟片间距液滴直径减小,有利于液体的雾化,减少液滴聚并。壳体空间液滴直径大于碟片空间的液滴直径,有不连续液丝和破碎液膜产生。模型计算和实验测试变化趋势基本一致。     

错流碟片旋转超重力场中液膜体积分率的实验研究

错流碟片旋转填充床反应器可有效脱除燃煤烟道气中的二氧化碳和其它有害成分,但液体分布状态对反应速率有很大影响,研究液膜的体积分率可为该类型反应器的设计提供有效的依据参数;实验研究了碟片转速、液体流量、气体流量、碟片间距和碟片开孔率与液膜体积分率的关系,用每张碟片底部对应液体收集器储存并测量碟片表面液膜的体积流量,用高速摄像机记录不同条件下液膜的存在状态和变化规律.研究表明随碟片转速增加液膜分率降低,增强的离心力促使液膜破裂,但液滴的甩出速率增加,促使液滴二次聚并,有不连续液丝产生.增大入口液体流量,液膜分率减小,液膜厚度变化缓慢,空间液滴增大.增大气体流量,液膜分率减小,厚度变薄,碟片表面附着液膜被吹散,促使液体雾化.液膜分率随碟片间距增加减小,提高碟片间距可有效减少液滴二次聚并;碟片开孔率增大液膜分率减小,提高碟片开孔率可有效降低碟片表面液膜的连续性,促使液膜分裂.     

微量甲醛的液滴采样新方法研究

根据气体分子扩散理论,采用自制液滴采样模拟风洞装置,对室内空气中的微量甲醛进行液滴采样分析,着重研究了微型风扇电压、微量泵的进样速度及不同捕集剂对采样效果的影响.结果表明,模拟风洞装置中的微型风扇电压越大,目的气体与液滴的对流程度越大,液滴采样效果越好;微量泵的进样速度越小,液滴与目的气体接触时间越长,采样效果越好;超...     

喷雾冷冻法单个液滴冻结过程模拟

喷雾冷冻液滴的冻结过程决定着干燥产品的微结构。本文以单个雾化液滴为研究对象,利用数值模拟的方法研究了液滴大小、气体流速和环境温度3个参数对其冻结过程的影响。结果发现,液滴越大冻结时所需的形核时间和完全固化时间越长,而且冻结过程随着气体流速的增大和环境温度的降低而缩短。通过方差分析发现,液滴大小较气体流速和环境温度对液滴完全固化时间的影响有较显著差异。液滴冷冻过程中,其质量损失率随着液滴大小的增大而略有减小,随着气体流速的增加及环境温度的降低而减小,其中环境温度对液滴质量损失率的影响最大。     

天然气超声速脱二氧化碳技术研究

进行了Laval喷管的结构设计。基于真实气体状态方程和湍流方程,结合凝结成核与液滴生长理论,建立了描述喷管内超声速气体凝结流动的数学模型,进行了CO_2-CH_4气体凝结流动规律研究。研究结果表明:在特定的入口温度与压力条件下可以实现CO_2气体的凝结与脱除,当气体发生凝结后,喷管内形成气、液两相流动,产生的亚微米级微小液滴可随气流运动至喷管出口;CO_2气体成核过程在时间和空间上表现出急剧性,凝结核心形成后,液滴生长过程可维持较长时间和距离,直至液滴到达喷管出口;由于凝结的发生和液滴生长过程释放了大量潜热,喷管内表现出明显的凝结冲波现象,压力下降减缓,温度出现回升。     

串行流化床内气体串混特性

串行流化床反应器间的气体串混是影响化学链燃烧过程的关键因素之一,采用串行流化床冷态试验装置,通过改变各反应器入口流化数,考察反应器间的串混量及串混率。反应器之间的气体串混路径可能有空气反应器和燃料反应器之间的气体串混、燃料反应器内气体向旋风分离器串混、隔离器气体在空气反应器和燃料反应器内的分布。结果表明,在空气反应器和燃料反应器之间加设隔离器能有效阻止两个反应器之间发生气体串混;燃料反应器内少许气体通过反应器内料腿向上串混到旋风分离器排气中,串混率约为2%,这使得该串行流化床化学链燃烧的理论碳捕集效率可以达到98%;燃料反应器流化风速对隔离器内气体在两个反应器的分布影响较小,采用水蒸气流化可避免隔离器气体向空气反应器和燃料反应器内串混所带来的影响。     

高压操作下的滴流床反应器实验

研究:两相压降及液相饱和度F.Larachi.A.Laurent,N.Midoux 和 G.Wild 实验研究了滴流床反应器中压力对流体动力学的影响,测量了压力高达8.1MPa 下的两相压降及持液量。分别考察了压力、气体及液体的流速、粘度的影响、液体的聚并特性以及液滴大小。实验结果与文献报道的关联式进     

均温型反应器在二甲醚装置改造中的应用

针对湖北远大富驰医药化工股份有限公司二甲醚反应器存在的已达设计使用年限、催化剂选择性下降、甲醇消耗增加等问题，决定用均温型反应器替代原两段绝热中间冷激型二甲醚反应器进行技术改造。介绍了甲醇脱水制二甲醚的技术原理、工艺流程、均温型二甲醚反应器的结构及特点；详细分析、对比了改造前后气体换热器及二甲醚反应器的运行参数。改造结果表明，均温型二甲醚反应器在控温方面具有一定的优势，改造达到了节能降耗的目的。     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

中国专利

正用于烯烃聚合的高产量反应器装置本发明涉及用于生产聚合物的反应器装置,该装置包括流化床反应器。所述流化床反应器包括底部区、中间区和上部区、位于底部区的流化气体的入口、位于上部区的流化气体的出口;流化气体的出口通过气体循环管线经流化气体的入口连接至流化床反应器;连接至气体循环管线的用于从气体中分离固体的构件;上部区的横截面直径相对于流经所述流化床反应器的流化气体的流动方向为单调递减;中间区相对于流经所述流化床反应器的流化气体的流动方向具有基本恒定的横截面直径;底     

低流速燃料电池重力辅助排水

实验研究了反应气体低流速下质子交换膜燃料电池内液滴自身重力对电池性能的影响。结果显示,自身重力有利于液滴脱离气体扩散层,使液态水有效排出电池堆。电池水平放置阴极向下时,液滴重力与其脱离气体扩散层方向一致,电池性能最佳;电池竖直放置时,液滴重力与气体将其吹扫出电池方向一致,其向外排水能力最强。反应气体流速较低时,电池在不同放置方式下,提高其温度,电池性能上升;电池竖直放置时,气体加湿对电池性能影响不大。电池测试时,应该避免电池阴极水平向上。     

错流型超重力旋转填料床中液滴的运动模型

首次从气体的流场、液滴的碰合出发,用液滴粒径-位置联合分布模型描述了液滴群运动的特征,提出了错流型超重力旋转填料床中液滴的运动模型.采用四阶Runge-Kutta法计算,模型计算值与实测值吻合良好.     

生产蒸气生长碳纤维的方法和装置

本发明涉及：①生产蒸气生长碳的方法，包括将含有有机化合物和有机过渡金属化合物的并预先优选加热到100～145℃温度的原料气体与优选加热至700-1600℃温度的载气进行混合，和将所形成的气体混合物引入到碳纤维生产区段中，其中优选芳族化合物和乙炔、乙烯或丁二烯的混合物用作有机化合物；②一种方法，在该方法中过渡金属化合物溶于溶剂，所形成的溶液被雾化成细液滴，在液滴中的溶剂蒸发以获得过渡金属化合物的精细颗粒，漂浮颗粒与有机化合物气体一起被引入该碳纤维生产区段中；③用于该生产方法中的装置；和④所生产的蒸气生长碳纤维。     

国产双膜磺化反应器的改进及应用

介绍了国内自主开发的第一台双膜磺化反应器结构特点以及在长期使用过程中反映出的问题；重点阐述了近年来针对有机原料分布结构、SO3气体分布结构和确保内外膜同心度结构等问题，进行的试验研究及改进设计；还详细介绍了反应器制造过程中的工艺研究和改进。最后，对反应器改进前后的性能和磺化产品的质量进行了对比。     

微气泡和微液滴双强化脱硫反应器操作分析

中石化炼化工程(集团)股份有限公司洛阳技术研发中心开发了微气泡和微液滴双强化脱硫反应器。该脱硫反应器采用微气泡和微液滴双强化手段改进吸收方式，将过去脱硫塔内毫米级的大气泡变为200μm以下的微气泡，将液体流动方式由溢流式变为喷淋式，提高了醇胺法脱硫的气液传质效率，并采用新型内构件代替塔板，简化了脱硫塔的复杂程度，相比板式吸收塔具有更小的高度。试验探究了新型脱硫反应器运行时，溶剂液位高度、吸收温度及溶剂循环量对净化效率的影响情况，并考察了不同溶剂液位高度下的压力降。结果表明：该脱硫反应器的压力降较小，脱硫效率较高，能够满足净化气H₂S质量浓度≤50mg/m³的要求；当原料气处理量为50m³/h时，最佳操作条件为溶剂液位高度800mm、吸收温度40℃、溶剂循环量0.8m³/h。     

质子交换膜燃料电池内扩散层/流道表面处液态水滴的运动特征

针对燃料电池流场内任意选取的特征单元建立二维模型,分析在剪切流作用下附着在扩散层（GDL）/流道（GFC）表面液滴的运动特征,认为液滴运动时迟滞角（液滴运动过程中前进角与后退角间的差值）与液滴高度、气体流速存在着一定关系;而与所选取的特征单元长度无关。模型还有效耦合了实验总结的液滴开始运动的条件关系式,真实反映了液滴开始运动、不断加速追赶及聚并的运动趋势。结果表明：选取矮流道,增大气体流速,采用疏水的GDL增大液滴的不稳定性,同时增加流道表面的亲水性,有利于液滴获得较大加速度,并以拐角流的形式快速从电池内排除。