【研究】不同的微设备和不同的微分散方法

2022-09-27 17:39:27 欧世盛(北京)科技有限公司


在微通道内所形成的微气泡、微液滴的大小和分散尺寸的均一性主要受几何结构、分散方法、体系物性以及操作条件等因素影响,微分散过程的内在机制还在于体系内作用力的变化,尤其是界(表)面力和黏性力的调控,因为在多相微分散过程中界(表)面力主要起到阻碍分散相破碎的发生,而黏性力作为主要的剪切力则起到促进分散相破碎的作用。当然若有其他作用力共同发挥作用时,微分散过程的机制会变得十分复杂。

无论是对于液 / 液体系还是气 / 液体系,人们发展许多微分散方法,这些方法均主要在于如何调控微设备内的作用力大小,尤其是调控界(表)面力和剪切力,以实现微分散尺寸的调控。目前常见的微分散方式主要包括:错流剪切、垂直流剪切 、水力学聚焦剪切、几何结构破碎等,如图1 所示。

图 1 :典型的微分散方法

由微分散方法示意图1可以看出,对于 T 形微通道设备,主要有两种方法,错流剪切和垂直流剪切。所谓的错流剪切是指以主通道流体为连续相来剪切支通道的流体,进而实现支通道流体分散的过程。在这个过程中主通道的流体剪切力大小是影响分散尺寸大小的最重要因素。垂直流剪切则是指以支通道流体为连续相剪切主通道流体,进而实现主通道流体分散的过程。在这个过程中,支通道流体对于主通道流体作用力的大小将直接决定分散过程。在这两种分散方法中,设备的结构相对简单,因此作用力分析相对明确,常常被研究者用于研究分散机制的主要方法。

对于聚焦流型微通道,所发生的破碎方法为水力学聚焦剪切。该分散过程是以主通道流体为分散相,以两边支通道的流体为连续相,在流动过程中支通道流体不断挤压主通道流体,在惯性力和剪切力的作用下使主通道流体发生收缩形变,在两股流体尺寸小到可以通过下游窄缝时,两股流体共同流入窄缝,在窄缝内发生分散相破碎或者在通过窄缝后发生分散相破碎的过程。在该分散过程中,两相流量比、窄缝几何结构和尺寸以及体系物性均会对微分散过程产生明显影响,尤其是窄缝加工的精准度会明显影响两相的作用力大小,进而影响分散规律。因此,水力学聚焦剪切方法的机理研究相对较少,内在的分散机制还是值得不断深入研究。

相对前三种微分散方法,几何结构破碎是指在微分散流体的流动过程中,通过改变下游通道的几何结构实现对于分散相再次破碎的过程,这种分散方法主要是利用通道几何结构的改变来调控微分散体系的作用力,将一部分作用力转变为界(表)面力的过程。这种分散方法的作用在于针对一些需要特殊调控的微分散体系,如在常规微分散过程中分散尺寸太大,需要进一步减小分散尺寸等。这种分散方法的机理较为复杂,相关方法的系统性报道也较为缺乏。

由以上几种微分散方法的分析可以看出,对于不同的微设备和不同的微分散方法,分散相尺寸的大小和分布主要取决于微分散过程的作用力,如界(表)面力、黏性力、惯性力。若将分散尺寸与微通道特征尺寸相比,我们会发现由于分散相行为的不同,在微通道内液 / 液、气 / 液等非均相体系表现出极其丰富的流型,这些流型在常规设备内均是很难实现的。下面,我们将从流型的角度来进一步分析微分散过程的控制机理,进而明确不同流型时的主要控制力和分散机理。

图 2[1] 根据分散相尺寸与通道尺寸的差异以及分散相断裂位置对于微分散过程的机理和主要作用力进行了概述。由图2可以看出,虽然所给出的微设备分别为 T 形和十字形,但其分散机制还是基本相同的。

当连续相流速较小,而分散相流速较大时,由于连续相所能够提供的剪切力不够大,分散相流体很容易将两相流体接触位置占据,这时所产生的分散尺寸会大于微通道尺寸,微分散过程主要是受到分散相液滴(气泡)上下游压力的作用而发生分散流体的断裂 [3,4],这种分散相断裂机理一般称为挤压(sueezing)断裂机理。若连续相流速不断增加,其作用力不断增加,使得分散相在两相接触点发生断裂,且液滴(气泡)尺寸小于通道尺寸,这时分散相的断裂机制主要受到剪切力控制,这种分散相断裂机理一般称为滴状剪切(dripping)断裂机理。

若进一步增大连续相流速,且分散相流速足够大时,会使得分散相断裂位置在分散相入口的下游较远处,且产生的液滴(气泡)尺寸同样小于微通道尺寸,主要取决于分散相断裂处脖子的大小[2],这种分散机理一般称为喷射断裂(Jetting)机理。当连续相流速进一步增加,或者体系的界(表)面力小到一定程度时,进入微通道的两相会形成稳定的层流流动,没有液滴(气泡)的产生。


图 2::微分散机制简图

除了上述几种较为常见的分散机理外,研究者还常常会提到一种较为特殊的分散相断裂机理,即尖端断裂(tip streaming)机理 [5],如图 3 所示。这种断裂机理一般发生在有表面活性剂的分散体系中,最主要的特殊在于分散尺寸远小于微通道尺寸,且液滴(气泡)在分散相尖端产生,其生成频率远大于常规的分散过程。

图 3: 尖端断裂微分散过程


从图 3可以看出,分散相的形状是典型的圆锥体。这种分散机理对于常规的气 /液体系十分少见[6],更多的是在液 / 液微分散的研究中观察到。由于该过程影响因素相对复杂,因此其机理深入分析的报道相对较少。

参考文献

[1] Wang K, Li L T, Xie P, Luo G S. Liquid-liquid microflow reaction engineering[J]. Reac Chemistry & Eng, 2017, 2:611-627.
[2] Utada A S, Lorenceau E, Link D R, Kaplan P D, Stone H A, Weitz D A. Monodisperse Double Emulsions Generated from a Microcapillary Device[J]. Science, 2005, 308:537-541.
[3] Garstecki P, Fuerstman M J, Stone H A, Whitesides G M. Formation of droplets and bubbles in amicroflfl uidic T-junction-scaling and mechanism of break-up[J]. Lab on a Chip, 2006, 6:437-446.
[4] Garstecki P, Gitlin I, DiLuzio W, Whitesides G M, Kumacheva E, Stone H A. Formation ofmonodisperse bubbles in a microfluidic flow-focusing device[J]. Applied Phy Lett, 2004,85:2649-2651.
[5] Stone H A, Stroock A D, Ajdari A. Engineering Flows in Small Devices:Microflfl uidics Toward aLab-on-a-Chip[J]. Annu Rev Fluid Mech, 2004, 36:381-411.
[6] Fu T, Ma Y, Funfschilling D, Li H Z. Bubble formation and breakup mechanism in a microflfl uidic flfl ow-focusing device[J]. Chem Eng Sci, 2009, 64:2392-2400.
[1] 骆广生,吕阳成,王凯,张吉松等,《微化工技术》化学工业出版社。


END

欧世盛整体解决方案

全自动微反应连续加氢
解决方案设备构成反应类型
加料系统

高压输液泵

硝基还原、氢化去硫反应

……

气路控制

单元

压氢气发生器

烯烃和炔烃的还原反

……

温度控制

单元

路温度

在线控制模块

N-、O-去苄基化反应

……

反应单元

自动

微反应加氢仪

脱卤反应

……

压力控制  

单元

全自动

在线背压调节器

羰基化反应

……

氢气气源

单元

高压氢气发生器

腈类化合物还原反应

……

样品采集

单元

功能

在线样品采集器

吡啶芳香环衍生物还原反应

……

流动化学

H-Flow管理软件

亚胺还原反应

……


微反应器能解决哪些问题
液液均相反应器

反应类型

硝化反应、磺化反应、锂化反应、格式反应、取代反应、高温关环反应……


液液非均相反应器

反应类型

中和反应、氧化反应……


气液反应器

反应类型

氧化反应(O2)、钯催化的Heck 羰基化反应(COCO2气体参与的反应……


光化学反应器

反应类型

芳环或杂环的三氟甲基化反应、烯烃加成反应、自由基反应……




 拓展功能
设 备

气液分离单元


在线检测单元

....

高压气液分离器

S-FLOW-S30 液液分离仪

在线UV-Vis检测器

....
欧世盛科技提供完整的微反应流动化学实验室整体解决方案

作为一家微反应流动化学整体解决方案供应商。核心设计团队经过近20年的技术积累,依据微反应实验流程中的使用习惯和痛点需求做了深入研究,经过多年的研发投入,根据合成的分类和流动化学的特点,已将微反应合成常见的液液合成、气液固合成等相关设备商用上市,

其中,液液合成设备所需的供料模块、反应模块、控制监控模块、检测模块、收集模块和管理软件工作站模块等六个模块几十种成熟产品供选。



中国首家
FLOWLAB智造商

网址 | www.osskj.com

电话 | 010—82439598




  • 客服电话: 400-6699-117 转 1000
  • 京ICP备07018254号
  • 电信与信息服务业务经营许可证:京ICP证110310号
  • 京公网安备1101085018
  • 客服电话: 400-6699-117 转 1000
  • 京ICP备07018254号
  • 电信与信息服务业务经营许可证:京ICP证110310号
  • 京公网安备1101085018

Copyright ©2007-2023 ANTPEDIA, All Rights Reserved