微通道內(nèi)連續(xù)合成十二烷基苯磺酸的響應(yīng)面分析及混合過程模擬

孟維軍，徐一鳴，李平，趙曦，嚴(yán)佩蓉，徐建鴻

（1 寧夏大學(xué)省部共建煤炭高效利用與綠色化工國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，銀川 寧夏 750000；2 清華大學(xué)化學(xué)工程系，化學(xué)工程聯(lián)合國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084）

20 世紀(jì)40 年代后，十二烷基苯磺酸鹽以其良好的生物降解性、價(jià)格低廉等優(yōu)勢在全世界范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用為洗滌劑的原料。烷基苯磺酸鹽和石油磺酸鹽在我國被廣泛使用[1]。目前應(yīng)用較為廣泛的十二烷基苯（DDB）磺化反應(yīng)器有釜式反應(yīng)器、降膜反應(yīng)器和噴射環(huán)流反應(yīng)器，但這些反應(yīng)器都存在著一定的問題，導(dǎo)致十二烷基苯磺酸產(chǎn)品成本過高。因此，高效、綠色、安全的磺化反應(yīng)器是降低表面活性劑成本、促進(jìn)陰離子表面活性劑供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要環(huán)節(jié)。微化工設(shè)備如微混合器、微反應(yīng)器、微換熱器等通過精密加工技術(shù)制造的設(shè)備，以其1mm 以下的通道特征尺寸在近十幾年里受到普遍關(guān)注[2-4]。與傳統(tǒng)尺寸設(shè)備相比，微反應(yīng)器和微混合器特征尺寸小、比表面積大、傳質(zhì)傳熱能力比傳統(tǒng)化工設(shè)備大1～2個(gè)數(shù)量級，能夠在化工過程中提供更精確的溫度控制、更強(qiáng)的混合效果、更窄的停留時(shí)間分布以及更安全的工藝狀態(tài)[5]。因此，許多瞬間強(qiáng)放熱反應(yīng)、有毒中間體反應(yīng)、易爆炸反應(yīng)都被應(yīng)用于微化工設(shè)備中[6-10]。

十二烷基苯磺化反應(yīng)是瞬間強(qiáng)放熱反應(yīng)，并附帶平行副反應(yīng)，而副產(chǎn)物對產(chǎn)品色澤影響嚴(yán)重，對于這一情況，人們希望磺化反應(yīng)器能夠有足夠的傳熱性能、傳質(zhì)性能和較短的停留時(shí)間，來控制局部的溫度、濃度對反應(yīng)的影響。主凱等[11]以1,2-二氯乙烷作為溶劑，研究了DDB 在微反應(yīng)器中用液相SO3進(jìn)行磺化的過程特性，發(fā)現(xiàn)DDB磺化反應(yīng)在微通道反應(yīng)器內(nèi)主要由傳質(zhì)效果控制。Geng等[12]研究了微反應(yīng)器連續(xù)化工藝和循環(huán)化工藝對液相三氧化硫DDB 磺化工藝的區(qū)別，通過優(yōu)化流量、DDB 摩爾比、反應(yīng)溫度等因素最終使得在保證產(chǎn)品活性物質(zhì)含量高達(dá)97%的同時(shí)，停留時(shí)間為2.5s，老化時(shí)間為1h，遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于現(xiàn)有工業(yè)過程?？梢姡⒎磻?yīng)器可以有效地應(yīng)用在DDB 磺化工藝中。但目前并沒有有關(guān)工藝參數(shù)對微通道反應(yīng)器內(nèi)磺化反應(yīng)過程的交互影響的研究，各因素的交互影響對于反應(yīng)過程的控制和優(yōu)化有著重要意義。

由于特征尺寸的減小，流體在微通道反應(yīng)器內(nèi)受力情況由傳統(tǒng)尺寸化工設(shè)備中的慣性力主導(dǎo)向黏性力和表面張力主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，因此流體的傳遞和混合特性也表現(xiàn)出一些新現(xiàn)象。關(guān)于如何高效地強(qiáng)化微尺度下液-液混合與傳質(zhì)過程，許多研究者進(jìn)行了大量的研究[13-17]。通過結(jié)構(gòu)或外場作用對微通道中局部進(jìn)行二次流混合強(qiáng)化是一種有效的強(qiáng)化手段，其中以T形撞擊流微混合器在工業(yè)化應(yīng)用中最有前景[18]。Fonte等[19]采用平面激光誘導(dǎo)熒光（planar laser induced fluorescence，PLIF）技術(shù)對常規(guī)尺寸通道內(nèi)對撞流的流體流動狀態(tài)和混合質(zhì)量進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在當(dāng)Re＞104 時(shí)，兩股等動量圓射流流體撞擊面發(fā)生偏轉(zhuǎn)振蕩，不再維持相互分離的狀態(tài)。Madana和Ashraf[20]使用計(jì)算流體力學(xué)方法（computational fluid dynamics，CFD）對矩形截面T形微通道內(nèi)的單相和多相流進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)流態(tài)的轉(zhuǎn)變存在臨界Re，最終提出了一個(gè)入口幾何形狀的優(yōu)化方案，以保證在低Re下實(shí)現(xiàn)流態(tài)的轉(zhuǎn)變。而對于微通道反應(yīng)器來說，溶劑的加入能夠改變流體的密度、黏度和不同組分的溶解度，從而影響流體的Re和混合質(zhì)量，但目前對于有溶劑條件下T形微通道反應(yīng)器的對撞流流態(tài)和混合質(zhì)量的研究還鮮有報(bào)道。

本文通過Design-Expert 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)了響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，以研究微反應(yīng)器內(nèi)溫度、摩爾比、體積流量對產(chǎn)物活性物質(zhì)含量的交互影響。并通過ANSY-Fluent流體力學(xué)計(jì)算軟件對有溶劑條件下的T形微通道混合器對撞流流體進(jìn)行了模擬，以表征微混合器中流體流動的狀態(tài)，通過對流體流動和混合機(jī)理的研究來更好地優(yōu)化和控制微反應(yīng)器內(nèi)十二烷基苯的磺化工藝。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及主要試劑

本實(shí)驗(yàn)用到的十二烷基苯（DDB）［異構(gòu)體混合物，阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司］與1,2-二氯乙烷（分析純，General-Reagent）配制成十二烷基苯溶液。SO3由30%發(fā)煙硫酸和五氧化二磷［98%，阿法埃莎(中國)化學(xué)有限公司］反應(yīng)制得，溶于1,2-二氯乙烷制成質(zhì)量分?jǐn)?shù)為7.5%的液相SO3溶液。

實(shí)驗(yàn)過程中配置SO3溶液后，通過使用0.1mol/L的NaOH 標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定得到SO3溶液的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)所需的SO3/DDB摩爾比配置DDB溶液。

1.2 反應(yīng)機(jī)理

主反應(yīng)式如圖1所示[21]。

圖1 反應(yīng)機(jī)理

十二烷基苯（DDB）與SO3反應(yīng)生成焦磺酸中間體，焦磺酸與DDB反應(yīng)生成目標(biāo)產(chǎn)物十二烷基苯磺酸（DBSA）以及主要副產(chǎn)物二芳基砜，副反應(yīng)為可逆反應(yīng)，主反應(yīng)與副反應(yīng)為平行反應(yīng)。老化階段焦磺酸中間體與酸酐和DDB生成目標(biāo)產(chǎn)物DBSA。

1.3 實(shí)驗(yàn)流程

SO3溶液與DDB 溶液以1∶1 的流量分別通過兩個(gè)平流泵通入T形混合器內(nèi)，然后進(jìn)入反應(yīng)器管道進(jìn)行反應(yīng)?；旌掀骱头磻?yīng)器管道放置在水浴鍋中恒溫，產(chǎn)品接出后使用旋蒸儀除去產(chǎn)品中的二氯乙烷溶劑，旋蒸儀水浴溫度40℃。T 形混合器內(nèi)徑1mm，微通道反應(yīng)器內(nèi)徑0.6mm，長度3000mm，材質(zhì)均為304不銹鋼。實(shí)驗(yàn)流程如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)流程

1.4 產(chǎn)品活性物質(zhì)含量分析方法

依據(jù)GB/T 8447—2008、GB/T 5173—1995使用溴化十六烷基三甲基銨（CTAB）進(jìn)行直接兩相滴定法測定產(chǎn)物中活性物質(zhì)含量。依照式(1)計(jì)算。

式中，X為十二烷基苯磺酸產(chǎn)品活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；V為消耗的滴定液體積，mL；c為CTAB滴定液濃度，mol/L；M為十二烷基苯磺酸分子量，g/mol；m為取樣質(zhì)量，g。

1.5 響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

使用Design-Expert（V10.0.4）中的Box-Behnken模塊設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，采用三因素三水平中間點(diǎn)重復(fù)三次的設(shè)計(jì)方法，選取T 形混合器單側(cè)入口流量（A）、溫度（B）、SO3/DDB 摩爾比（C）3個(gè)因素為自變量，產(chǎn)品活性物質(zhì)含量（X）為因變量，研究三個(gè)因素對產(chǎn)品活性物質(zhì)含量的交互影響。T形混合器兩側(cè)入口流量比為1∶1，則單側(cè)入口流量分別為6mL/min、8mL/min、10mL/min 時(shí)對應(yīng)的反應(yīng)器內(nèi)總流量為12mL/min、16mL/min、20mL/min，總流量對應(yīng)的停留時(shí)間分別為4.23s、3.18s、2.54s。因素變量水平參考主凱等[11]和Geng等[12]的研究結(jié)果進(jìn)行選取，見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)的因素水平表

中間點(diǎn)重復(fù)3次，共進(jìn)行15次實(shí)驗(yàn)，研究三個(gè)因素對產(chǎn)品活性物質(zhì)含量的交互影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值及結(jié)果見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

2 結(jié)果與討論

2.1 響應(yīng)面法優(yōu)化產(chǎn)品活性物質(zhì)含量

使用Design-Expert 軟件對結(jié)果進(jìn)行三次回歸擬合，得到的產(chǎn)物活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)Y（%）與流量（A,mL/min）、溫度（B,℃）、SO3/DDB 摩爾比(C)的多元回歸方程如式(2)所示。方差分析及可信度分析見表3、表4。

表4 響應(yīng)面模型可信度分析

表3 響應(yīng)面模型方差分析

由表3可知，回歸模型的F值為1696.67，且P值小于0.05，說明模型具有顯著意義。由表4 可知，模型的相關(guān)系數(shù)為0.9999，表明相關(guān)性良好；校正系數(shù)為0.9993，表明三次模型有效，且精密度高，可以用來分析結(jié)果。變異系數(shù)值為0.16%，說明實(shí)驗(yàn)精確度高，擬合程度高。

2.2 因素交互作用分析

響應(yīng)曲面圖能直觀反映各因素對因變量的影響以及兩兩因素之間的交互作用。圖3(a)為溫度和流量的響應(yīng)曲面，圖3(b)為SO3/DDB 摩爾比和流量的響應(yīng)曲面，圖3(c)為SO3/DDB 摩爾比和溫度的響應(yīng)曲面。由圖3(a)可以看出，隨著摩爾比的增大，曲面斜率增大，產(chǎn)品活性物質(zhì)含量受兩個(gè)因素的影響且都增加。其中，溫度和流量對產(chǎn)品活性物質(zhì)含量的影響表現(xiàn)為：低流量時(shí)溫度對其影響不大，且隨著摩爾比的增大這一現(xiàn)象沒有改變；中流量時(shí)，溫度與因變量成正相關(guān)，隨著摩爾比的增大，溫度對其影響增大，但表現(xiàn)為低點(diǎn)降低，高點(diǎn)不變；高流量時(shí)，溫度對因變量的影響隨著摩爾比的增大而變強(qiáng)，但主要表現(xiàn)在高溫區(qū)。針對這些現(xiàn)象，分析是因?yàn)樵赥 形混合器中，流量的增大使得流體Re增大，對撞效果增強(qiáng)，同時(shí)在反應(yīng)器長度不變的情況下，停留時(shí)間變短。因此在低流量時(shí)，由于混合效果不強(qiáng)，反應(yīng)主要受傳質(zhì)控制，受到溫度和摩爾比影響較小。中流量時(shí)，流量的增加使得停留時(shí)間變短，因此呈現(xiàn)為低溫區(qū)低點(diǎn)降低，高溫區(qū)高點(diǎn)不變。高流量時(shí)，混合效果增強(qiáng)，反應(yīng)由傳質(zhì)控制向反應(yīng)控制轉(zhuǎn)變，且主反應(yīng)相對SO3為二級反應(yīng)，因此隨著摩爾比的增加，產(chǎn)物活性物質(zhì)含量上升。由圖3(b)可以看出，隨著溫度的增加，曲面高度整體上升（曲線顏色變紅），即因變量數(shù)值整體增大，且整體趨勢由先減小后增大轉(zhuǎn)變?yōu)橛傻偷礁咧饾u增大。結(jié)合圖3(a)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)隨著溫度的增加，流量對因變量的影響發(fā)生了變化。分析認(rèn)為當(dāng)溫度升高到60～70℃時(shí)，反應(yīng)物中有SO3氣體溢出，這一現(xiàn)象增強(qiáng)了反應(yīng)器內(nèi)的傳質(zhì)和混合效果，因此在溫度為60～70℃時(shí)，之前由于停留時(shí)間減少而出現(xiàn)的中流量區(qū)的低點(diǎn)消失。從圖3(c)也可分析出以上結(jié)論。

圖3 響應(yīng)曲面圖

3 混合過程模擬

通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，影響產(chǎn)品活性物質(zhì)含量的主要因素為入口流量大小，認(rèn)為該因素會影響混合器內(nèi)混合效果，因此為表征微混合器內(nèi)的流體流動和混合現(xiàn)象，使用CFD 的方法對微混合器內(nèi)流體流動進(jìn)行模擬。模擬了實(shí)驗(yàn)中用到的十二烷基苯和SO3在二氯乙烷為溶劑條件下的混合狀態(tài)，與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論進(jìn)行對比。為使得混合器內(nèi)混合現(xiàn)象的變化更加敏感，選用水和甲苯這兩種互不相溶液體作為主要混合流體，選用對這兩種組分都能溶解的乙醇液體作為溶劑，以表征不同條件下混合器內(nèi)流體流動及混合狀態(tài)。

3.1 基本物理模型

文中針對實(shí)驗(yàn)中用到的T形圓柱微通道混合器進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，采用SCDM軟件構(gòu)造原尺寸三維幾何模型，如圖4 所示。T 形微混合器截面內(nèi)直徑為1mm，入口與出口間管道長度24.5mm。兩股流體分別由兩個(gè)入口進(jìn)入微混合器，入口邊界條件設(shè)為速度，出口設(shè)為壓力出口邊界條件。

圖4 T形混合器模型（單位：mm）

3.2 邊界條件控制方程

對于不同相態(tài)之間的模擬有許多模型，如流體體積函數(shù)、水平集、離散格子玻爾茲曼、標(biāo)記粒子、界面追蹤等[22]。其中流體體積函數(shù)VOF（volume of fluid）能夠追蹤兩相界面移動變化，且復(fù)雜度小，精度高[23]，被認(rèn)為適用于微流體多相流的模擬。

VOF 模型關(guān)于多相流模擬計(jì)算的控制方程如下所示。

連續(xù)性方程如式(3)。

動量方程如式(4)。

動量方程中動量源項(xiàng)為界面張力FSV，F(xiàn)luent中界面張力模型是連續(xù)界面力（continuum surface force，CSF）模型如式(5)。

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時(shí)間，s；u為速度矢量，m/s；μ為流體黏度，Pa·s；p為壓力，Pa；T為溫度，K；FSV為界面張力，N/m；σ為界面張力系數(shù)；κ為界面曲率；δ為狄拉克函數(shù)；r為徑向坐標(biāo)；n為單位法向量。

由于Fluent Database 中沒有十二烷基苯和二氯乙烷的相關(guān)物性，因此通過實(shí)驗(yàn)測量了十二烷基苯和二氯乙烷的黏度，設(shè)置物性見表5。其余組分物理參數(shù)使用Fluent Database中給定的值。

表5 物性參數(shù)

3.3 邊界條件

使用Fluent 模擬T形微通道混合器中的穩(wěn)態(tài)對撞流。流體區(qū)域使用ANSYS Mesh 中的狹縫與曲率（proximity and curvature）功能進(jìn)行網(wǎng)格劃分，通過控制最大尺寸控制網(wǎng)格質(zhì)量。模擬過程采用穩(wěn)態(tài)求解，動量方程采用二階迎風(fēng)格式，流場采用PISO壓力速度耦合的方法求解，壓力項(xiàng)關(guān)聯(lián)采用交錯(cuò)壓力格式（PRESTO!），壁面無滑移，通過調(diào)整松弛因子使計(jì)算達(dá)到收斂，當(dāng)各參數(shù)誤差值小于10-3認(rèn)為收斂，未提及的設(shè)置保持默認(rèn)。在軟件中，設(shè)置兩相間的界面張力以規(guī)定界面張力動量源項(xiàng)，設(shè)置水與甲苯的界面張力為0.0357。兩個(gè)入口皆為速度入口，出口為壓力出口，表壓為0。

3.4 網(wǎng)格無關(guān)性

如圖5 所示，通過改變最大尺寸控制網(wǎng)格質(zhì)量，發(fā)現(xiàn)當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量由300000 增加至1000000 時(shí)，相同邊界條件下出口最大速度變化趨勢如圖5。發(fā)現(xiàn)范圍內(nèi)網(wǎng)格數(shù)量對模擬結(jié)果幾乎無影響，為減小計(jì)算量并保證結(jié)果準(zhǔn)確，最終選擇網(wǎng)格數(shù)量為433960的網(wǎng)格進(jìn)行模擬。

圖5 網(wǎng)格無關(guān)性

3.5 入口雷諾數(shù)計(jì)算

計(jì)算兩相液體為水和甲苯、溶劑為乙醇時(shí)的入口雷諾數(shù)，混合液體的密度由式(6)計(jì)算。

式中，ρm為混合流體密度，kg/m3；ρi為組分i的密度，kg/m3；φi為組分i的體積分?jǐn)?shù)。

混合液體黏度的計(jì)算使用Lobe 方法，因?yàn)閮晒苫旌弦后w分別由兩種組分組成，且不考慮溫度影響，所以簡化為式(7)。

其中兩個(gè)參數(shù)如式(8)、式(9)。

運(yùn)動黏度與動力黏度關(guān)系如式(10)。

雷諾數(shù)計(jì)算如式(11)。

式中，純液體黏度值較小的組分為A，另一黏度值較大的組分為B；α為混合物中組分的特性黏度參數(shù)，J/mol；ν為組分運(yùn)動黏度，mm2/s；μ為液體動力黏度，mPa·s。

入口雷諾數(shù)計(jì)算見表6。

表6 入口雷諾數(shù)

3.6 密度分布云圖

流體中3 種組分的密度分別為：水998kg/m3，甲苯866kg/m3，乙醇790kg/m3。因此通過密度分布云圖可以看出流體混合效果。無溶劑條件下密度分布云圖如圖6所示，以乙醇為溶劑條件下密度分布云圖如圖7所示。

圖6 無溶劑條件下密度分布云圖

圖7 以乙醇為溶劑條件下密度分布云圖

從圖6 可以看出，當(dāng)入口速度為0.12m/s 時(shí)（對應(yīng)流量為6mL/min，入口雷諾數(shù)分別為119.4和177.34），由于兩種組分溶解性低，流體的雷諾數(shù)較小，對撞效果不明顯，T形對撞處流體呈現(xiàn)明顯的兩種密度分布，意味著流體混合效果不強(qiáng)。但隨著進(jìn)入管道，體積減小，壓強(qiáng)增加，流體的分層在一段距離后消失，兩組分發(fā)生了混合，流體密度變化。隨后因?yàn)榧磳⒘鞒龉艿溃瑝毫p小，兩種組分又分離，形成清晰的彈狀流（slug flow），也稱為泰勒流（Taylor flow），是微通道內(nèi)低流速條件下的一種兩相流動形式，流型如圖6中的兩相以一連串子彈形狀周期性分布。而當(dāng)流速到達(dá)0.15m/s 時(shí)（對應(yīng)流量為7mL/min，入口雷諾數(shù)分別為149.25 和221.67），其他現(xiàn)象與之前相似，但中間的流體分層不再消失，當(dāng)流速為0.17m/s（對應(yīng)流量為8mL/min，入口雷諾數(shù)分別為169.15和251.23）時(shí)也表現(xiàn)出相似的現(xiàn)象。而當(dāng)流速增加到0.19m/s（對應(yīng)流量為9mL/min，入口雷諾數(shù)分別為199 和295.56） 和0.21m/s 時(shí)（對應(yīng)流量為10mL/min，入口雷諾數(shù)分別為208.95 和310.34），中間再次出現(xiàn)這一現(xiàn)象。分析認(rèn)為是由于雷諾數(shù)的變化，管道內(nèi)慣性力與黏性力主導(dǎo)地位轉(zhuǎn)變，低雷諾數(shù)時(shí)（入口雷諾數(shù)范圍119.4～149.25 和177.34～221.67），由于對撞效果不強(qiáng)，所以對撞處產(chǎn)生了清晰的分層，但之后界面張力使得混合效果增強(qiáng)，分層消失；中雷諾數(shù)時(shí)（入口雷諾數(shù)范圍149.25～169.15和221.67～251.23），對撞效果依然不強(qiáng)，但相對較短的停留時(shí)間使得界面張力不能長時(shí)間作用在分層界面處，因此不再出現(xiàn)分層消失現(xiàn)象而是直接產(chǎn)生泰勒流；高雷諾數(shù)時(shí)（入口雷諾數(shù)范圍169.15～208.95和221.67～310.34），對撞效果強(qiáng)烈，但界面張力作用時(shí)間不足，因此出現(xiàn)短暫混合后，流體立即變?yōu)閺棤盍鳌?/p>

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，溶劑的引入可以很好地提升混合效果，流體在T形對撞處不再形成明顯的分層。進(jìn)入管道后液體立刻混合，一段時(shí)間后發(fā)生變化。當(dāng)流速為0.12m/s、0.15m/s、0.17m/s 時(shí)（對應(yīng)入口雷諾數(shù)分別為89.46 和113.32、111.82 和141.64、126.73和160.53），進(jìn)入管道后流體先均勻混合，后逐漸分離，但形成尺寸小于管道尺寸的不規(guī)則的液滴，當(dāng)流速增加到0.19m/s和0.21m/s時(shí)（對應(yīng)入口雷諾數(shù)分別為149.09 和188.86、156.55 和198.30），流體進(jìn)入管道后逐漸分離，形成規(guī)則的以密度從大到小排布在管道由內(nèi)到外的三層流體。

水和甲苯這兩種互不相溶液體在引入了溶劑后，流態(tài)發(fā)生明顯改變，由原本的彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)榉植几泳鶆虻牧餍汀拿芏确植荚茍D來看，處于代表三種液體密度值（水998kg/m3，甲苯866kg/m3，乙醇790kg/m3）中間區(qū)域的密度分布明顯增多，這代表了三種組分處于混合狀態(tài)的占比增高。從流型來看，流型由彈狀流轉(zhuǎn)變?yōu)樘卣鞒叽缧∮诠艿赖牟灰?guī)則液滴，相接觸面積增加，增強(qiáng)了混合強(qiáng)度。圖7中流型呈現(xiàn)出不同的表現(xiàn)形式，認(rèn)為是隨著雷諾數(shù)的增大，流體受力向慣性力為主導(dǎo)轉(zhuǎn)變，同時(shí)隨著溶劑的引入，減小了兩相的界面張力作用，因此更加加強(qiáng)了慣性力對流型的影響，呈現(xiàn)為形成特征尺寸小于管道尺寸的液滴，在經(jīng)過了碰撞區(qū)域一段距離之后，由于液滴間界面張力的作用，小液滴再次分開。由于流速的增大，慣性力使得密度更高的液滴有更高的速度而分布在管道更內(nèi)測，液滴也由密度從大到小由內(nèi)而外地分布在管道內(nèi)，而低流速時(shí)就沒有這種情況。

3.7 壓力分布云圖

壓力分布云圖如圖8 所示。從圖中可以看出，流速為0.21m/s時(shí)，有溶劑條件下和無溶劑條件下管道內(nèi)壓力都是從入口到出口遞減，區(qū)別在于有溶劑條件下壓力的變化更規(guī)律，分析是因?yàn)闊o溶劑條件下形成了明顯的泰勒流，導(dǎo)致管內(nèi)壓力分布不均。

圖8 流速為0.21m/s時(shí)壓力分布云圖

3.8 DDB與SO3混合狀態(tài)表征

為表征實(shí)驗(yàn)過程中微混合器內(nèi)DDB與SO3的混合狀態(tài)，模擬了不同流量下體積分?jǐn)?shù)為0.2DDB+0.8 二氯乙烷和0.2SO3+0.8 二氯乙烷的混合狀態(tài)，所得DDB體積分?jǐn)?shù)分布云圖和SO3體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖9所示。

從圖9 中可以看出，DDB 和SO3進(jìn)入T 形混合器后只分布在管道的各自入口側(cè)，這一現(xiàn)象與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論吻合，即過程受傳質(zhì)效果影響。且單側(cè)入口流量為6mL/min、7mL/min、8mL/min時(shí)，DDB和SO3在進(jìn)入T 形混合器一段距離后體積分?jǐn)?shù)分布出現(xiàn)局部升高，而按照入口的體積分?jǐn)?shù)計(jì)算，完全混合后DDB 和SO3的體積分?jǐn)?shù)應(yīng)同為0.1，這種現(xiàn)象說明進(jìn)入T形混合器一段距離后DDB和SO3有一部分處于混合不完全的狀態(tài)。而隨著流速的增大，單側(cè)入口流量為9mL/min、10mL/min時(shí)，這一現(xiàn)象有所緩解（即圖中紅色區(qū)域變少），也與實(shí)驗(yàn)所得當(dāng)流速增大時(shí)混合效果變強(qiáng)的結(jié)論符合。認(rèn)為是混合器內(nèi)流體受力情況受入口流速大小影響，隨著流速增大，流體受到的慣性力更強(qiáng)，不同相之間碰撞更強(qiáng)烈，相對減少了表面張力的作用，也就增強(qiáng)了混合效果。

圖9 二氯乙烷為溶劑條件下DDB和SO3體積分?jǐn)?shù)分布云圖

4 結(jié)論

通過響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)，研究了流量、溫度、摩爾比對以二氯乙烷為溶劑條件下微通道反應(yīng)器內(nèi)十二烷基苯磺化過程的交互影響。通過CFD 計(jì)算流體力學(xué)方法對T形微通道混合器內(nèi)流體流動和傳質(zhì)現(xiàn)象進(jìn)行表征，模擬了與實(shí)驗(yàn)條件一致的以二氯乙烷為溶劑時(shí)DDB和SO3的混合狀態(tài)，研究了不同流速下T形混合器內(nèi)的混合狀態(tài)。以水和甲苯作為互不相溶的兩相流體，以乙醇作為溶劑，研究了有無溶劑條件下不同流速對流體混合效果的影響。

（1）微通道反應(yīng)器內(nèi)十二烷基苯磺化過程中，產(chǎn)品活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)在流量下受溫度和摩爾比的影響不大，隨著流量增加到8～10mL/min 范圍內(nèi)，產(chǎn)品活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高的同時(shí)，受到溫度和摩爾比的影響更明顯，且當(dāng)溫度提升到60～70℃范圍時(shí)，由于SO3氣體的溢出，增強(qiáng)了管道內(nèi)流體的混合效果，此溫度下低流量條件下的產(chǎn)品活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也有一定升高。認(rèn)為產(chǎn)品活性物質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)主要受到傳質(zhì)效果的影響，當(dāng)傳質(zhì)效果達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)這一過程開始向反應(yīng)控制轉(zhuǎn)變。

（2）發(fā)現(xiàn)低流速下T形混合器內(nèi)確實(shí)存在DDB和SO3的混合強(qiáng)度較弱的問題，DDB和SO3在進(jìn)入T形混合器一段距離后，分別分布在管道的各自入口側(cè)。而隨著流速的增大，DDB和SO3完全分離的部分減少，相互混合的部分增多，與實(shí)驗(yàn)所得結(jié)論吻合。

（3）發(fā)現(xiàn)由于流速同時(shí)影響T形碰撞區(qū)的碰撞強(qiáng)度和流體在管道內(nèi)的停留時(shí)間，因此在界面張力為主導(dǎo)的微通道內(nèi)，碰撞強(qiáng)度和界面張力的作用時(shí)間都能夠強(qiáng)化混合效果，而溶劑的引入能夠很好地強(qiáng)化兩種互不相溶流體的混合效果和管道內(nèi)分布情況，且混合效果的變化與響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)結(jié)果的討論吻合，混合效果隨流量的增大呈現(xiàn)先減弱后加強(qiáng)的變化趨勢。研究了微通道內(nèi)十二烷基苯磺化過程不同因素的交互作用，對磺化過程的影響因素有了進(jìn)一步的認(rèn)識，對磺化工藝的優(yōu)化有重要意義。同時(shí)通過CFD計(jì)算流體力學(xué)方法對T形微通道混合器的模擬，發(fā)現(xiàn)了溶劑條件對流體流態(tài)和混合機(jī)理的影響以及不同流速下流體混合狀態(tài)變化的規(guī)律。