一种提高微通道内稳定环状流传质速率的方法与流程

本发明属于化工过程强化技术领域，特别涉及一种提高微通道内稳定环状流传质速率的方法。

背景技术：

微化工技术在液液萃取上应用广泛。在微通道内进行液液萃取时，由于微通道的微尺度效应，两相间的传质距离大大缩短，两相比界面积大大增加，完成一定的萃取分离任务，所需的萃取时间大大缩短。相比传统萃取操作，微通道内液液萃取具有更高的传质速率。

微通道内液液两相流型会显著影响萃取速率和设备出口流体的分相情况。因此，关于微通道内液液两相流型的研究备受关注。微通道内两相流体的研究表明，在微通道内液液两相流体可形成弹状流、滴状流、并行流和环状流等一系列流型。环状流与其它流型相比，其形成时两相流体的流量比范围更大，因而适用范围更广；且环状流与并行流相比，两相接触的相界面积更大，传质速率更高，因而更适用于液液两相传质过程。但现有微通道内形成的环状流两相界面并不稳定，存在随机波动现象，且波动幅度随着流体流速的增加而增大，导致两相流体流出微通道时不能即时分相。为了消除环状流的随机波动现象，在微通道内构建稳定的环状流，本申请发明人在微通道内设置一根等直径圆形横截面的线状中心插件，并根据内环流体和外环流体的属性选择线状中心插件与外管的制作材料，使水相、有机相两相流体在较宽的流量及流量比范围内都能在微通道内维持界面清晰稳定的环状流流型，两相流体流出微通道时可即时分相。但实验表明，所形成的稳定环状流的传质速率需进一步提高。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，以便在维持环状流两相界面稳定的条件下强化传质。

本发明所述微通道包括外管和分别与外管两端内孔组合的内管，所述内管的中心线与外管的中心线重合，外管的内径不大于1.5mm，内管的内径不大于0.8mm，内管外壁与外管内壁之间的间隙为0.1～0.4mm。

本发明所述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，是在微通道内设置一根外形轮廓规则变化的线状中心插件，操作时先将形成外环的流体以一定的流量输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的流体以一定的流量输入微通道，两种流体在微通道内即以一种规律变形的稳定环状流流型流动进行传质，完成传质后，形成内环的流体经内管至内环流体出口流出微通道，形成外环的流体经外管至外环流体出口流出微通道；所述形成外环的流体为水相、形成内环的流体为有机相，或者所述形成外环的流体为有机相、形成内环的流体为水相，控制形成内环的流体的流量为0.8～20ml/min，形成内环的流体与形成外环的流体的流量比为1:(0.2～20)；当形成外环的流体为水相、形成内环的流体为有机相时，所述线状中心插件用亲油材料制作，外管用亲水材料制作；当形成外环的流体为有机相、形成内环的流体为水相时，所述线状中心插件用亲水材料制作，外管用亲油材料制作。

上述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，所述外形轮廓规则变化的线状中心插件为麻花状、螺旋状、珠串状、挡板状或扭绳状线状体。

上述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，所述外形轮廓规则变化的线状中心插件的径向最大尺寸不大于内管内径的1/2。

上述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，外管的长度至少为50mm，以便稳定环状流的形成。

上述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法，制作所述线状中心插件的亲油材料优选聚乙烯、聚丙烯或尼龙，亲水材料优选低碳钢、中碳钢、不锈钢或钛；制作所述外管的亲油材料优选聚乙烯、聚丙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或尼龙，亲水材料优选石英玻璃、不锈钢或钛。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明所述方法通过在微通道装置内设置一根外形轮廓规则变化的线状中心插件，且根据内环流体和外环流体的属性选择线状中心插件与外管的制作材料，不仅使微通道内水相、有机相两相流体形成了稳定的环状流，而且使两相界面呈规律变化，流体内部形成二次循环流动，强化了两相流体之间的传质，提高了传质速率(见实施例和对比例)。

2、由于本发明所述方法可使微通道内水相、有机相两相界面呈规律变化，因而两相流体的接触界面积增加，传质速率增加，有利于减少传质所需时间，增大处理量。

3、由于本发明所述方法可使微通道内水相、有机相形成稳定的环状流，因而两相流体在流出微通道时可即时分相，省去了后续的分相工序，简化了工艺流程。

4、本发明所述方法主要是通过在微通道内增设外形轮廓规则变化的线状中心插件来提高稳定环状流的传质速率，因而非常简单，便于实施，有利于实际应用和推广。

附图说明

图1为本发明所述提高微通道内稳定环状流传质速率的方法的原理示意图；

图2为本发明所述方法中的麻花状线状中心插件示意图；

图3为本发明所述方法中的珠串状线状中心插件示意图；

图4为本发明所述方法中的挡板状线状中心插件示意图；

图5为本发明所述方法中的螺旋状线状中心插件示意图；

图6为本发明所述方法中的扭绳状线状中心插件示意图；

图7为对比例中设置的等直径圆形横截面线状中心插件示意图；

图8为实施例1中微通道内两相流体的流型图片；

图9为对比例1中微通道内两相流体的流型图片；

图10是按照图1所示原理图提供上的一种形成稳定环状流的微通道装置；

图11是图10的侧视图；

图12是图10的a-a剖视图；

图13是图10的b-b剖视图。

图中，1—第一进液口，2—第二进液口，3-1—第一内管，3-2—第二内管，4—线状中心插件，5—外管，6—第一出液口，7—第二出液口，8—水相流体，9—有机相流体，10—底座，11—第一支架，12—第二支架，13—导轨，14—第一分流引导夹具，14-1—第一外壳，14-2—第一分流固位块，14-3—第一前端盖，14-4—第一后端盖，14-5—第一限位片，14-6—第一橡胶密封塞，15—第二分流引导夹具，15-1—第二外壳，15-2—第二分流固位块，15-3—第二前端盖，15-4—第二后端盖，15-5—第二限位片，15-6—第二橡胶密封塞。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明所述在微通道内构建稳定环状流的方法作进一步说明。显然，所描述实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。

下述实施例、对比例中，微通道内两相流体的流型图片使用数码相机连接倒置光学显微镜从外管的下方拍摄。

下述实施例、对比例中，萃取率的计算公式为：

下述实施例、对比例中，有机相进行洗涤时，忽略洗涤前后有机相的质量变化，洗涤率的计算公式为：

实施例1

本实施例按照图1布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，所述微通道包括外管5和分别与外管两端组合的第一内管3-1和第二内管3-2，第一内管、第二内管的中心线均与外管的中心线重合，外管5为外径3mm、内径0.9mm、长150mm的透明石英毛细管，第一内管3-1和第二内管3-2的外径均为0.7mm，内径均为0.5mm，且均用316l不锈钢制作，第一内管3-1与外管左端衔接处及第二内管3-2与外管右端衔接处通过密封避免漏液；外形轮廓规则变化的线状中心插件4为图2所示的麻花状线状体，用聚乙烯制作，径向最大尺寸为0.2mm，所述线状中心插件插装在微通道内，其两端分别固定在微通道外，固定时应使线状中心插件处于拉紧状态，线状中心插件与第一内管3-1、第二内管3-2端部合处通过密封避免漏液；第一内管3-1与第一进液口1连通，外管5左端的进液口与第二进液口2连通，第二内管3-2与第一出液口6连通，外管5右端的出液口与第二出液口7连通。

按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，可设计多种不同结构的微通道装置，本实施例优选了一种按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件的微通道装置，其结构如图10至图13所示，包括底座10、第一分流引导夹具14、第二分流引导夹具15、第一内管3-1、第二内管3-2、外管5、线状中心插件4、第一支架11、导轨13和第二支架12。所述第一分流引导夹具14主要由第一外壳14-1、第一前端盖14-3、第一后端盖14-4、第一限位片14-5、第一分流固位块14-2和第一橡胶密封塞14-6组合而成；第一外壳14-1侧面设置有第一进液口1和第二进液口2，第一分流固位块14-2的中心部位依次设置有线状中心插件第一过孔、第一内环流体储槽、内管第一固位孔、第一外环流体储槽、外管第一固位孔，所述线状中心插件第一过孔、第一内环流体储槽、内管第一固位孔、第一外环流体储槽和外管第一固位孔的中心线均与第一分流固位块的中心线重合，所述第一内环流体储槽与所述第一进液口1相对应，且第一内环流体储槽与第一分流固位块侧面之间设置有用于连通第一进液口1与第一内环流体储槽的第一进液孔，所述第一外环流体储槽与第二进液口2相对应，第一外环流体储槽与第一分流固位块侧面之间设置有用于连通第二进液口2与第一外环流体储槽的第二进液孔；第一分流固位块14-2安装在第一外壳14-1的内孔中，安装时应使所述第一进液孔与第一外壳侧面的第一进液口1衔接，所述第二进液孔与第一外壳侧面的第二进液口2衔接；第一限位片14-5安装在第一外壳14-1的内孔中且与第一分流固位块设置线状中心插件第一过孔端的端面相贴，第一橡胶密封塞14-6安装在第一限位片14-5的中心孔内，第一前端盖14-3与第一外壳14-1内孔装有第一限位片的一端通过螺钉固连，第一后端盖14-4与第一外壳14-1的另一端通过螺钉固连。所述第二分流引导夹具15主要由第二外壳15-1、第二前端盖15-3、第二后端盖15-4、第二限位片15-5、第二分流固位块15-2和第二橡胶密封塞15-6组合而成，第二外壳15-1侧面设置有第一出液口6和第二出液口7，第二分流固位块的中心部位依次设置有线状中心插件第二过孔、第二内环流体储槽、内管第二固位孔、第二外环流体储槽、外管第二固位孔，所述线状中心插件第二过孔、第二内环流体储槽、内管第二固位孔、第二外环流体储槽和外管第二固位孔的中心线均与第二分流固位块的中心线重合，所述第二内环流体储槽与所述第一出液口6相对应，且第二内环流体储槽与第二分流固位块侧面之间设置有用于连通第一出液口6与第二内环流体储槽的第一出液孔，所述第二外环流体储槽与第二出液口7相对应，第二外环流体储槽与第二分流固位块侧面之间设置有用于连通第二出液口7与第二外环流体储槽的第二出液孔；第二分流固位块15-2安装在第二外壳15-1的内孔中，安装时应使所述第一出液孔与第二外壳侧面的第一出液口6衔接，所述第二出液孔与第二外壳侧面的第二出液口7衔接；第二限位片15-5安装在第二外壳15-1的内孔中且与第二分流固位块设置线状中心插件第二过孔端的端面相贴，第二橡胶密封塞15-6安装在第二限位片15-5的中心孔内，第二前端盖15-3与第二外壳15-1内孔装有第二限位片的一端通过螺钉固连，第二后端盖15-4与第二外壳15-1的另一端通过螺钉固连。所述第二支架12为两件，分别安装在底座10上并位于底座的两端，所述导轨13为两根，相隔一间距相互平行地安装在第二支架12上，所述第一支架11为两件，分别安装在底座10的两端并位于第二支架12的外侧；所述第一分流引导夹具14、第二分流引导夹具15放置在导轨13上，放置时应使第一分流引导夹具的第一前端盖14-3、第二分流引导夹具的第二前端盖15-3分别朝向底座10的两端，且第一分流引导夹具14的中心线与第二分流引导夹具15的中心线重合；第一内管3-1的一端插入第一分流引导夹具中的第一分流固位块14-2设置的内管第一固位孔通过该孔固定并与所述第一内环流体储槽衔接，其另一端伸出第一分流引导夹具，第二内管3-2的一端插入第二分流引导夹具中的第二分流固位块15-2设置的内管第二固位孔通过该孔固定并与所述第二内环流体储槽衔接，其另一端伸出第二分流引导夹具；外管5的一端与第一内管3-1套装并插入第一分流引导夹具中的第一分流固位块设置的外管第一固位孔通过该孔固定且与所述第一外环流体储槽衔接，外管5的另一端与第二内管3-2套装并插入第二分流引导夹具中的第二分流固位块设置的外管第二固位孔通过该孔固定且与所述第二外环流体储槽衔接；线状中心插件4插装在第一内管3-1、第二内管3-2和外管5中，其两端分别从第一分流引导夹具的第一前端盖14-3、第二分流引导夹具的第二前端盖15-3伸出分别固定在底座两端的第一支架11上，固定时应使线状中心插件处于拉紧状态；线状中心插件4及第一内管3-1、第二内管3-2、外管5安装到位后，将第一分流引导夹具14、第二分流引导夹具15与底座通过螺栓固连。第一分流固位块14-2和第二分流固位块15-2用的耐腐蚀的弹性高分子材料聚四氟乙烯或聚甲醛制作，第一外壳14-1、第一前端盖14-3、第一后端盖14-4、第一限位片14-5、第二外壳15-1、第二前端盖15-3、第二后端盖15-4和第二限位片15-5用中碳钢或不锈钢制作。

本实施例在室温25℃下实施，以磷酸-氯化钙水溶液(磷酸质量分数为10.77％；氯化钙质量分数为24.81％，密度为1.35g/cm³)为水相，以萃取剂磷酸三丁酯为有机相。通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的水相以3ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相以3ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道，在微通道内，有机相流体9贴附于麻花状线状中心插件沿水平方向流动，水相流体8环绕有机相流体9并在与有机相流体9和外管5内壁接触的状态下流动，形成规律变形的稳定环状流(见图8)。萃取完成后，形成内环的有机相流体9经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的水相流体8经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

定时收集萃取有机相，测量收集时间段所收集到的萃取有机相的质量，计算萃取有机相质量流量为3.36g/min；测量所收集的萃取有机相中的磷酸质量分数为7.08％。根据萃取率的计算公式计算，得到此实施例的磷酸萃取率为54.54％。

对比例1

本对比例中，微通道的布置方式与实施例1相同，外管5的材料和尺寸及第一内管3-1、第二内管3-2的材料和尺寸均与实施例1相同，使用的微通道装置与实施例1相同。与实施例1不同之处是：在微通道内设置的线状中心插件4为图7所示等直径圆形横截面线状体，用尼龙制作，线径为0.2mm。

本对比例中，实施温度与实施例1相同，水相和有机相与实施例1相同，通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的水相以3ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端的进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相以3ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道。微通道内，两相流体的流型如图9所示，从图9可以看出，两相流体在微通道内形成界面清晰的稳定环状流。萃取完成后，形成内环的有机相经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的水相经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

定时收集萃取有机相，测量收集时间段所收集到的萃取有机相的质量，计算萃取有机相质量流量为3.34g/min；测量所收集的萃取有机相中的磷酸质量分数为6.65％。根据萃取率的计算公式计算，得到此对比例的磷酸萃取率为50.92％。

实施例2

本实施例按照图1布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，所述微通道包括外管5和分别与外管两端组合的第一内管3-1和第二内管3-2，第一内管、第二内管的中心线均与外管的中心线重合，外管5为外径3mm、内径0.9mm、长200mm的透明石英毛细管，第一内管3-1和第二内管3-2的外径均为0.7mm，内径均为0.5mm，且均用316l不锈钢制作，第一内管3-1与外管左端衔接处及第二内管3-2与外管右端衔接处通过密封避免漏液；外形轮廓规则变化的线状中心插件4为图2所示的麻花状线状中心插件，用聚乙烯制作，径向最大尺寸为0.2mm，所述线状中心插件位于微通道内的部段，所述线状中心插件两端分别固定在微通道外，固定时应使线状中心插件处于拉紧状态，线状中心插件与第一内管3-1、第二内管3-2端部合处通过密封避免漏液；第一内管3-1与第一进液口1连通，外管5左端的进液口与第二进液口2连通，第二内管3-2与第一出液口6连通，外管5右端的出液口与第二出液口7连通。

按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，可设计多种不同结构的微通道装置，本实施例优选的按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件的微通道装置与实施例1相同。

本实施例在室温25℃下实施，以磷酸-氯化钙水溶液(磷酸质量分数为10.77％；氯化钙质量分数为24.81％，密度为1.35g/cm³)为水相，以磷酸三丁酯作为萃取剂是有机相。通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的水相以2ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相以8ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道，在微通道内，有机相流体9贴附于麻花状线状中心插件沿水平方向流动，水相流体8环绕有机相流体并在与有机相流体和外管5内壁接触的状态下流动，形成规律变形的稳定环状流。萃取完成后，形成内环的有机相流体9经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的水相流体8经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

定时收集萃取有机相，测量收集时间段所收集到的萃取有机相的质量，计算萃取有机相质量流量为8.36g/min；测量所收集的萃取有机相中的磷酸质量分数为2.95％。根据萃取率的计算公式计算，得到此实施例的磷酸萃取率为84.81％。

对比例2

本对比例中，微通道的布置方式与实施例2相同，外管5的材料和尺寸及第一内管3-1、第二内管3-2的材料和尺寸均与实施例2相同，使用的微通道装置与实施例2相同。与实施例2不同之处是：在微通道内设置的线状中心插件4为图7所示等直径圆形横截面线状体，用尼龙制作，线径为0.2mm。

本对比例中，实施温度与实施例2相同，水相和有机相与实施例2相同，通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的水相以2ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端的进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的有机相以8ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道。微通道内，两相流体在微通道内形成界面清晰的稳定环状流。萃取完成后，形成内环的有机相经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的水相经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

定时收集萃取有机相，测量收集时间段所收集到的萃取有机相的质量，计算萃取有机相质量流量为8.34g/min；测量所收集的萃取有机相中的磷酸质量分数为2.73％。根据萃取率的计算公式计算，得到此实施例的磷酸萃取率为78.30％。

实施例3

本实施例按照图1布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，所述微通道包括外管5和分别与外管两端组合的第一内管3-1和第二内管3-2，第一内管、第二内管的中心线均与外管的中心线重合，外管5为外径3mm、内径0.9mm、长300mm的透明聚甲基丙烯酸甲酯管，第一内管3-1和第二内管3-2的外径均为0.7mm，内径均为0.5mm，且均用316l不锈钢制作，第一内管3-1与外管左端衔接处及第二内管3-2与外管右端衔接处通过密封避免漏液；外形轮廓规则变化的线状中心插件4为图5所示的螺旋状线状中心插件，用钛丝制作，径向最大尺寸为0.2mm，所述线状中心插件位于微通道内的部段，所述线状中心插件两端分别固定在微通道外，线状中心插件与第一内管3-1、第二内管3-2端部合处通过密封避免漏液；第一内管3-1与第一进液口1连通，外管5左端的进液口与第二进液口2连通，第二内管3-2与第一出液口6连通，外管5右端的出液口与第二出液口7连通。

按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件，可设计多种不同结构的微通道装置，本实施例优选的按照上述方式布置微通道和在微通道中设置线状中心插件的微通道装置与实施例1相同。

本实施例在室温35℃下实施，用去离子水洗涤负载有磷酸和氯化钙的磷酸三丁酯，去离子水为水相，负载有磷酸和氯化钙的磷酸三丁酯(磷酸质量分数为7.08％；氯化钙质量分数为1.80％)为有机相。通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的有机相以20ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的水相以1ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道，在微通道内，水相流体8贴附于螺旋状线状中心插件沿水平方向流动，有机相流体9环绕水相流体并在与水相流体和外管5内壁接触的状态下流动，形成规律变形的稳定环状流。对有机相洗涤完成后，形成内环的水相流体经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的有机相流体经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

收集洗涤后有机相，测量所收集到的洗涤有机相的磷酸和氯化钙质量分数分别为6.45％和0.50％。根据洗涤率的计算公式计算，得到此实施例的磷酸和氯化钙洗涤率为8.90％和72.22％。

对比例3

本对比例中，微通道的布置方式与实施例3相同，外管5的材料和尺寸及第一内管3-1、第二内管3-2的材料和尺寸均与实施例3相同，使用的微通道装置与实施例3相同。与实施例3不同之处是：在微通道内设置的线状中心插件4为图7所示等直径圆形横截面线状中心插件，用钛丝制作，线径为0.2mm。

本对比例中，水相和有机相与实施例3相同，操作温度与实施例3相同，通过注射泵及注射泵上安装的注射器将形成外环的有机相以20ml/min的流量经第二进液口2、外管5左端的进液口输入微通道，待形成外环的流体充满微通道后，再将形成内环的水相以1ml/min的流量经第一进液口1、第一内管3-1输入微通道。微通道内，两相流体在微通道内形成界面清晰的稳定环状流。对有机相洗涤完成后，形成内环的水相流体经第二内管3-2至第一出液口6流出微通道，形成外环的有机相流体经外管5右端出液口至第二出液口7流出微通道。

收集洗涤后有机相，测量所收集到的洗涤有机相的磷酸和氯化钙质量分数分别为6.49％和0.56％。根据洗涤率的计算公式计算，得到此对比例的磷酸和氯化钙洗涤率为8.33％和68.89％。