调控多相体系中分散相尺寸分布的串联限域装置和方法与流程

1.本发明涉及微流控领域，具体地涉及一种调控多相体系中分散相尺寸分布的串联限域装置。在此基础上，本发明还涉及一种调控多相体系中分散相尺寸分布的方法。


背景技术：

2.多相流动广泛存在于自然界以及化工、石油、动力、冶金、食品等过程工业中。对于化工反应器来说，气泡和液滴等分散相不但能直接影响速度场，同时能通过改变相界面性质等改变体系的传质和传热效果，最终影响设备在微观尺度和宏观尺度下的性能。因此，控制气泡/液滴的形变与破裂行为、优化尺寸分布与多相分散过程对整个反应体系的动量、质量和热量传递具有直接而重要的影响。
3.通常认为气泡/液滴的破裂与生成过程是外部因素和内部因素共同作用的结果，其中，外部因素包括流场(如湍动特性、剪切速率等)、液相性质(如黏度、密度等)和其他外界条件(如温度、外加电场、声场等)；内部因素则主要包括两相相性质、分散相的诸多内部作用力(如黏性力、表面张力等)。导致分散相形变和破裂的主要原因包括湍流脉动和碰撞、界面的不稳定性、连续相的黏性剪切作用、流体的冲蚀(冲刷)等。其中湍流流场虽然能够提供较高的能量促进气泡破裂，但是由于其结构复杂且波动性较大，研究者至今仍尚未明确湍动机制，因此利用湍流脉动和碰撞实现气泡尺寸的控制具有非常高的难度和非常严苛的操作条件。利用层流体系实现气泡/液滴的尺寸调控具有稳定性、可控性等方面的显著优势，特别是近年来微反应器等微通道设备由于其尺度小、无返混、比表面积大、传质传热系数高、可实现连续化操作等特点得到越来越多的关注和应用。微通道中绝大部分为层流体系，也为实现气泡/液滴等分散相的调控创造了基础。
4.目前调控气泡/液滴尺寸的方法大多通过十字型、t型、同轴型及类似形状的通道结构实现，一方面对于设备加工和工艺参数控制具有非常高的要求，另一方面均需要至少两路通道及驱动装置，在增加了成本的同时不可避免地提升了整个工艺流程的复杂性；而外场强化同样增加了成本和加工、操作的难度。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了克服现有技术存在的分散相尺寸调控需要复杂的通道结构、尺寸控制不稳定的问题，提供一种用于调控多相体系中分散相尺寸分布的串联限域装置，该串联限域装置通过简单的结构实现气泡/液滴的精确调控，实现分散相破裂行为和尺寸分布的有效控制。
6.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种调控多相体系中分散相尺寸分布的串联限域装置，包括连续布置的入口通道、限域单元和出口通道，所述限域单元包括依次交替地串接在所述入口通道和出口通道之间的至少两个限域通道和至少一个中间通道，至少在彼此相接的位置，所述限域通道的通流截面积小于所述中间通道的通流截面积。
7.优选地，所述限域通道在其延伸范围内具有恒定的通流截面积。
8.优选地，所述限域通道的延伸长度不小于该限域通道的最大宽度尺寸的10倍，并且/或者，所述限域通道的通流截面积不大于0.01mm2。
9.优选地，所述限域通道的最大宽度尺寸不超过所述中间通道的最大宽度尺寸的一半。
10.优选地，所述限域通道的通流截面积小于所述入口通道的通流截面积，且在与所述限域单元相接的位置处，所述入口通道沿朝向该限域单元的方向渐缩延伸。
11.优选地，沿远离所述限域单元的方向，所述出口通道的通流截面积递增。
12.优选地，在与所述限域单元相接的位置处，所述出口通道沿远离该限域单元的方向渐扩延伸；并且/或者，所述出口通道的底部形成有逐级向下的台阶部，以使得所述出口通道的通流截面积递增。
13.优选地，该串联限域装置具有壳体，所述入口通道、限域通道、中间通道和出口通道沿同一直线形成在该壳体内。
14.优选地，所述壳体的材质为玻璃、金属、陶瓷、合金、聚合物、复合材料中的一种或多种。
15.本发明的第二方面提供一种调控多相体系中分散相尺寸分布的方法，包括：s1.物料分析和预处理步骤，即确定被操作物质的密度、粘度、表面张力和流变特性中的至少一个物料参数，抽滤所述被操作物质中的溶液以去除杂质；s2.根据预期分散相尺寸和确定的所述物料参数，选择相应的上述限域装置，并将该串联限域装置串联至流体输送控制系统中；s3.由所述流体输送控制系统控制为向所述入口通道内通入包括所述被操作物质的多相物料，并使得该多相物料流经所述限域单元和所述出口通道后输出。
16.通过上述技术方案，本发明的串联限域装置仅需串联在其他装置即可实现对于气泡/液滴等分散相的调控，不需要额外的通道、驱动装置或者内构件，具有结构简单、操作方便等优点；利用其的调控方法能够有效利用连续相的挤压与脉动冲击以及分散相的自身不稳定性与快速拉伸等破裂机制，通过串联多个限于通道能够以较高的控制精度实现气泡/液滴的破裂行为及尺寸分布的有效控制。
附图说明
17.图1是根据本发明第一种优选实施方式的串联限域装置的结构示意图；
18.图2是多相体系在图1所示的串联限域装置内的速度矢量图；
19.图3是多相体系在图1所示的串联限域装置内的流线图；
20.图4是根据本发明另一种优选实施方式的串联限域装置中入口通道和限域单元的连接结构示意图；
21.图5是根据本发明另一种优选实施方式的串联限域装置中出口通道的结构示意图；
22.图6是实施例1产生的气泡的尺寸分布；
23.图7是对比例1产生的气泡的尺寸分布；
24.图8是对比例2产生的气泡的尺寸分布；
25.图9是实施例2产生的液滴的尺寸分布；
26.图10是对比例3产生的液滴的尺寸分布。
27.附图标记说明
28.1-入口通道；2-限域通道；3-中间通道；4-出口通道。
具体实施方式
29.以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
30.参照图1至图3所示，根据本发明一种优选实施方式的用于调控多相体系中分散相尺寸分布的串联限域装置，包括连续布置的入口通道1、限域单元和出口通道4，所述限域单元包括依次交替地串接在入口通道1和出口通道4之间的至少两个(图示为三个)限域通道2和至少一个(图示为两个)中间通道3，至少在彼此相接的位置，限域通道2的通流截面积小于中间通道3的通流截面积。
31.由此，通过向入口通道1内通入多相物料，该多相物料继续通过各个限域单元和出口通道4流动。在该过程中，由于通流截面积的在不同通道彼此相接位置处的变化，可实现多相体系中分散相尺寸的调控。具体地，在由入口通道1流入通流截面积相对较小的限域通道2和从该限域通道2流出至中间通道3和出口通道4时，多相体系中的连续相产生挤压作用和脉动冲击，使得其中的分散相发生破裂；而在流经限域通道2过程中，可利用相对较小的通流截面积对分散相产生拉伸作用，利用其自身不稳定性和快速拉伸等破裂机制，有效控制气泡/液滴的破裂行为和尺寸分布。
32.本发明的串联限域装置仅需串联在其他装置即可实现对于气泡/液滴等分散相的调控，不需要额外的通道、驱动装置或者内构件，具有结构简单、操作方便等优点。本发明可有效实现多相体系中气泡/液滴等分散相的调控，适用于气-液、液-液、气-液-固、气-液-液、液-液-液等各类多相体系，为物料输送、混合、分散以及反应过程提供所需的条件；提出的限域单元既可以单独作为微反应器、管式反应器或者微混合器，也可以与换热单元、收集单元或反应/混合等单元等相结合以实现成套功能，在化工、生物、医药、电子、机械等领域具有广阔的应用前景。
33.基于上述调控机理，本发明的串联限域装置可以形成为多种不同结构形式，利用多种破裂机制实现多相体系中分散相尺寸分布的调控。例如，入口通道1、限域单元和出口通道4可以如图示地直接由管道状壳体形成，也可以为以其他形式(铸造)形成的流体通道。在图示优选实施方式中，入口通道1、限域通道2、中间通道3和出口通道4分别在其延伸区域范围内具有恒定的通流截面积；在其他实施方式中，其也可以根据调控需求设置为具有变化的通流截面积。
34.继续参照图1至图3所示，限域通道2沿直线延伸，并在其延伸范围内具有恒定的通流截面积。其中，为了有效拉伸分散相，限域通道2的通流截面积不应过大。如限域通道2的延伸长度不小于该限域通道2的最大宽度尺寸的10倍，并且/或者，该限域通道2的通流截面积不大于0.01mm2。在图示优选实施方式中，限域通道2的通流截面为方形截面，其宽度尺寸为100μm，通流截面积为0.01mm2。在限域通道2形成为如具有圆形通流截面的替代实施方式中，上述最大宽度尺寸为通道的直径。
35.为了通过通流截面积的变化而有效利用连续相的挤压与脉动冲击作用实现分散相的破裂和尺寸控制，限域通道2的通流截面积应与入口通道1、中间通道3和出口通道4的
通流截面积具有较大差异。在一种优选实施方式中，限域通道2的最大宽度尺寸不超过入口通道1、中间通道3和出口通道4的最大宽度尺寸的一半。
36.根据调控需求，本发明的串联限域装置可以形成为不同结构形式，以强化或弱化上述其中一种或多种调控机制的预期效果，根据体系的不同选择针对性的主导机制，适用范围广。在图4和图5所示的替代实施方式中，在与限域单元相接的位置处，入口通道1沿朝向该限域单元的方向渐缩延伸，例如入口通道1的与该限域单元的相邻的部分形成为渐缩的锥状，以减弱连续相在该处的挤压作用。
37.同理地，沿远离限域单元的方向，出口通道4的通流截面积递增，以减小多相体系在该出口通道4内流动产生的脉动冲击作用。其中，出口通道4的与该限域单元的相邻的部分可以形成为渐扩的锥状，且该出口通道4的底部形成有逐级向下的台阶部，以使得该出口通道4的通流截面积递增。该替代实施方式的其他方面与前述优选实施方式可以相同或具有相同的变形形式，在此不再重复说明。
38.在上述优选实施方式中，串联限域装置由管道式壳体形成，其入口通道1、限域通道2、中间通道3和出口通道4沿同一直线形成在该壳体内。该壳体的材质为玻璃、金属、陶瓷、合金、聚合物、复合材料中的一种或多种，加工方式可以为精雕机加工、干法蚀刻、liga、注模、湿法蚀刻、光刻、3d打印等。
39.基于上述串联限域装置，本发明还提供一种调控多相体系中分散相尺寸分布的方法，通过科学调控连续相的挤压与脉动冲击以及分散相的自身不稳定性与快速拉伸等机制，实现气泡/液滴的破裂行为及尺寸分布的有效控制。该方法包括如下操作步骤：
40.s1.物料分析与预处理步骤：确定操作涉及的物质(被操作物质)的密度、粘度、表面张力(界面张力)、流变特性等可能影响分散相效果的物料参数；对溶液进行抽滤、控温等处理使其满足进料及操作要求。
41.s2.限域结构及操作参数确定：根据预期达到的分散相尺寸等要求，进行限域结构的设计与操作方案的制定。本发明提出的串联限域装置通过缩小通道尺寸，建立一定长度的狭缝或孔喉状结构、并与主通道串联操作，利用等多种导致破裂的机制，包括但不限于连续相的挤压、脉动、冲击、冲蚀，以及分散相自身不稳定性、迅速拉伸断裂等，并可以根据具体体系的特点和要求、强化其中的一种或多种机制达到预期效果。分散相的调控是由结构(形状和尺寸等)与操作参数(各种物料的流速/流量、操作压力、进料方式等)共同决定的，确定结构和操作参数的方法包括理论分析、数值模拟、条件实验、经验或半经验模型等。同时，根据具体操作体系的特点可以选择使用一个限域通道或将多个限域通道进行串联/并联操作。需要注意的是，通过中间通道在入口通道和出口通道之间串联多个限域通道，可以在提升体系均匀度和稳定性的同时增加压降，因此实际过程中可根据具体工艺需求及物料性质调整限域通道的个数。
42.装置搭建：除选择串联限域装置外，还需对流体的输送与控制可能需要的各相入口通道、泵、管路、流量计、阀门、控制系统、反应器等装置(流体输送控制系统)选型、搭建及连接。本发明对上游及下游条件无特殊需求，例如上游可配合t型、y型、同轴型、聚焦型、十字型等各种产生气泡/液滴的装置，只需要与串联限域装置进行串联，无需额外的附加设备。
43.s3.进料与分散相调控：根据设定的操作条件进行多相进料，实现气泡/液滴等分
散相的调控。如果有观测需要，可以配合相机、piv/plif、探针、压力计/流量计等各种测试手段进行测定。调控后的多相体系可以根据需要连接反应器、混合器、换热器、或者其他输送设备。
44.除此之外，本发明的调控方法可以包括后处理与校正步骤。如果分散相尺寸未达到理想条件则根据实际条件进行参数调节优化。
45.本发明在促进较大气泡/液滴破裂的同时，利用壁面的限域作用和扩径区域前后分散相之间的接触与碰撞，可以促进部分微小气泡/液滴则发生聚并，从而有效调控分散相尺寸在目标范围内。限域结构能够有效提升多相混合与传递效率，不仅提高了局部流速、剪切速率及湍动程度，同时限域结构缩小了传质距离，进一步强化了混合过程。根据不同工艺及物料特点，本发明可进行单元个数、结构参数以及操作条件的调整，从而针对性地强化破裂主导机制、实现符合预期目标的尺寸分布，因而具有广阔的应用范围。
46.本发明能够实现化工、生物、医药、电子、机械等领域对于分散相气泡/液滴的尺寸分布的要求，适用于气-液、液-液、气-液-固、气-液-液、液-液-液等各类多相体系；也可作为微混合器/反应器，应用于一系列化工过程：氧化、过氧化、还原、加成、置换、取代、聚合、硝化、环氧化、烷基化、加氢、脱氢、有机金属反应、羰基化、烷氧基化、卤化、脱卤化、羧化、芳基化、偶联、缩合、脱水、醇解、水解、氨解、醚化、酮化、皂化、异构化、重氮化、偶氮化、以及酶催化反应等。
47.本发明具体实施过程中可根据实际工艺需求和物料性质，进行通道材质、通道尺寸、限域结构尺寸/形状等结构性质的调整优化以及流速、压力、配比等操作参数的设计，调整压降和分散的平衡，以获得最佳的性能：例如，通过提高混合体系的流量、入口的尺寸比，可以增加入口的压差推动气泡/液滴破裂；通过降低限域结构的尺寸可以有效促进气泡/液滴破裂、降低尺寸；通过增加限域部分的长度，可以促进气泡/液滴产生局部不稳定性引发断裂；通过提高出口的尺寸比，可以增加液相的射流效果促进子气泡/液滴脱落。
48.实施例1：气液两相流中的气泡尺寸调控
49.常温条件下配置了95％甘油与水的混合体系，测定了体系的性质，如密度1255kg
·
m-3
、表面张力系数0.0675n
·
m-1
、黏度0.58pa
·
s等。对溶液进行搅拌混合后抽滤，过滤掉杂质。调控的目标是提供当量直径在150～200μm范围的氮气气泡，针对目标需求和物料特点，进行了理论分析与数值计算，确定了通过十字聚焦结构完成微气泡的生成、然后利用两个中间通道串联三个限域通道对气泡进一步调控的方案。其中限域通道的尺寸为100μm，长度为1mm(图1)。通道采用金属材质，通过精雕机精密加工形成，并通过焊接与螺纹等形式与外壳进行连接密封。
50.将溶液通入微量注射泵，将注射器与氮气钢瓶连接，使注射器充满氮气后装入微量注射泵，注射器与微通道之间采用胶管连接。搭建背光灯与高速相机并调整其与微通道结构的相对位置，对于产生的气泡进行拍摄。启动微量注射泵驱动液体，控制各相的流量，利用十字聚焦结构完成微气泡的生成，然后利用限域结构对于生成的气泡进一步调控，待流量稳定后采集和保持图片，后期采用数字图像处理技术进行气泡识别与尺寸计算。
51.结果表明本方法提出的结构能够有效控制流动过程，在各个限域结构产生类似的局部速度梯度与压差、造成气泡快速扭曲及不稳定断裂(图2、图3)，气泡的尺寸逐步接近理想分布目标，最终产生的气泡有超过90％在150～200μm的尺寸范围(图6)，能够有效实现气
泡尺寸的调控，满足工艺要求，在不增加操作复杂性的同时大幅提升了控制精度。
52.对比例1：单个限域通道对于气液两相流中的气泡尺寸调控
53.利用单个限域通道对实施例1体系的气泡尺寸进行调控，其中使用的物料与实施例1相同，驱动、连接及拍摄设备均相同，区别在于将多级串联结构改为仅一个限域通道。
54.利用微量注射泵控制各相的流量，待流量稳定后采集和保持图片，后期采用数字图像处理技术进行气泡识别与尺寸计算，根据结果反馈优化操作参数，直至产生的气泡尺寸最接近目标条件。
55.结果表明该装置产生的气泡有约85％在150～200μm的尺寸范围(图7)，一定程度上能实现气泡尺寸的调控，但是控制精度低于多个串联的装置。
56.对比例2：t型分岔结构对于气液两相流中的气泡尺寸调控
57.利用单个t型分岔结构对实施例1体系的气泡尺寸进行调控，其中使用的物料与实施例1相同，驱动、连接及拍摄设备均相同，区别在于将气泡发生体系改为气液两相通过t型管路结构。
58.利用微量注射泵控制各相的流量，待流量稳定后采集和保持图片，后期采用数字图像处理技术进行气泡识别与尺寸计算，根据结果反馈优化操作参数，直至产生的气泡尺寸最接近目标条件。
59.结果表明本方法产生的气泡仅有约50％在150～200μm的尺寸范围(图8)，气泡尺寸分布不均匀，控制精度显著低于本发明的装置。
60.实施例2：液-液两相流中的液滴尺寸调控
61.常温条件下向去离子水中加入0.5％质量分数的十二烷基硫酸钠，在预处理烧杯中搅拌均匀，作为连续相，用注射器吸入环己烷作为分散相，测定了两相的物料性质，抽滤并过滤掉杂质。
62.针对目标需求和物料特点，进行了理论分析与数值计算，确定了通过t型结构完成液滴的生成、然后利用五级串联限域结构对于液滴进一步调控的方案。微通道材质选用聚二甲基硅氧烷(pdms)材料经涂胶、光刻、掩膜加工等操作后形成供连续相和分散相流动的微通道，然后与玻璃基片键合而成。其中限域结构的尺寸为80μm，长度为1mm，出口设置了多级阶梯状变径结构，目的是放置通道尺寸比过大造成较强的液相冲击、导致液滴再次破裂。与实施例1中结构不同的是由于本体系液滴形变破裂相对容易，为防止过度破裂，将入口与出口的结构调整为逐渐变径的形式(图4、图5)。
63.将一定流速的连续相和分散相分别从两端侧的通道进料，并汇聚在t型微通道结构，分散相在连续相的剪切作用下生成液滴，然后通过串联限域结构，大液滴发生破裂，部分微小液滴则发生聚并，从而进行尺寸调控。调控后的混合体系通过出口流出微通道芯片，通过外置的高速摄像机对微气泡的生成与破裂过程进行记录，并将微气泡形成后的照片利用matlab、photoshop、image pro等软件进行处理分析，得到气泡的尺寸分布情况。验证该方法可以进行大量微小气泡的连续可控制备。
64.结果表明本方法提出的结构能够有效控制流动过程，利用限域结构产生局部速度梯度与压差、造成液滴挤压、局部拉伸及不稳定断裂，最终产生的气泡有超过88％在80～100μm的目标尺寸范围(图9)，能够有效实现液滴尺寸的调控。
65.对比例3：十字型聚焦结构对于气液两相流中的气泡尺寸调控
66.利用十字型结构对实施例2体系的液滴尺寸进行调控，其中使用的物料与实施例2相同，微通道材质、加工方式、驱动、连接及拍摄设备均相同，区别在于将液滴发生体系改为流体通过十字型管路结构。
67.利用微量注射泵控制各相的流量，待流量稳定后采集和保持图片，后期采用数字图像处理技术进行液滴识别与尺寸计算，根据结果反馈优化操作参数，直至产生的液滴尺寸最接近目标条件。
68.结果表明本方法产生的气泡仅有约55％在80～100μm的尺寸范围(图10)，液滴尺寸分布波动较大，表明本发明提出的方法具有明显的优势。
69.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。