微結(jié)構(gòu)多通道混合器的混合性能研究

郎梨霞,陳凱,魏忠

(石河子大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,新疆 石河子 832003)

微通道混合器具有混合性能好,傳質(zhì)效率高的優(yōu)點(diǎn),引起了許多研究人員和企業(yè)的高度關(guān)注。作為一種典型的微化工設(shè)備,其內(nèi)部的特征尺寸微細(xì)化所引起的過程特性變化對傳統(tǒng)的三傳一反現(xiàn)象和理論產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。當(dāng)化學(xué)反應(yīng)過程涉及到混合時間和反應(yīng)時間之間的比較時,微混合器的微觀混合性能將是快速反應(yīng)的控制因素[1-2]。微觀混合過程發(fā)生在流體層中的拉伸以及分子水平上的擴(kuò)散,其中分子擴(kuò)散可以消除局部層流中的偏析區(qū)域。

微混合效率是衡量微混合過程的質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo),對于微混合器的設(shè)計和優(yōu)化起著關(guān)鍵性的作用[3]?；瘜W(xué)反應(yīng)作為分子探針被廣泛用于確定微混合的效率[4-6]。Villermaux-Dushman反應(yīng)具有簡單的反應(yīng)方案、通過紫外-可見光譜分析反應(yīng)產(chǎn)物的簡便性以及良好的靈敏度和重現(xiàn)性的優(yōu)勢,成為最廣泛使用的化學(xué)方法之一[7-8]。此外,測試反應(yīng)在工業(yè)過程中的應(yīng)用需要安全處理化合物,Villermaux-Dushman反應(yīng)的碘化物-碘酸鹽反應(yīng)體系在反應(yīng)過程中產(chǎn)生的化合物符合安全要求。

然而,用碘化物-碘酸鹽反應(yīng)體系定量分析并不能直接反映流體流動、濃度場的分布情況。鑒于微通道內(nèi)部傳質(zhì)的重要性,需要仔細(xì)考慮內(nèi)部流體的流動以及混合狀態(tài),以便了解混合機(jī)理和效率。隨著近年來計算機(jī)能力的快速提高,通過計算流體動力學(xué)(CFD)方法進(jìn)行數(shù)值模擬在研究反應(yīng)器的微混合性能方面吸引了越來越多的興趣。借助CFD方法模擬流體混合的過程可能有助于解釋競爭體系是如何定量分析混合效率的。例如Bensaid S[9]借助CFD模擬微混合器中鉬酸銨、檸檬酸和硫化銨作為反應(yīng)物合成硫化鉬納米顆粒的過程,研究了不同操作條件下微混合器中的流場分布,以評估該混合器的混合效率。近年來,在分子水平上對混合進(jìn)行建模通常用DQMOM-IEM的分子混合模型進(jìn)行計算,這種方法通過使用直接正交矩量法(DQMOM)加上與平均值的相互作用交換(IEM),以混合分?jǐn)?shù)概率密度函數(shù)方法描述混合過程[10]。

在本文中,我們設(shè)計制作了一種光固化3D打印的微結(jié)構(gòu)的多通道混合器,通過控制通道毫米尺度的管道內(nèi)徑來實現(xiàn)內(nèi)部流體湍動,從而加強(qiáng)反應(yīng)流的微混合效率。利用碘化物-碘酸鹽反應(yīng)體系和CFD模擬分析了這種微結(jié)構(gòu)多通道微混合裝置的流動特性和混合性能。CFD模型是基于雷諾平均納維-斯托克斯(RANS)方法,通過DQMOM方法加上與平均值交換的相互作用(IEM)模型來描述競爭反應(yīng)體系中分子水平的混合,研究Re對微混合效率的影響。

1 材料與方法

用于Villermaux-Dushman反應(yīng)的材料見表1。先將KI和KIO3溶于去離子水中形成KI和KIO3溶液,然后用H3BO3和NaOH溶液制備緩沖溶液。再將KI和KIO3溶液加入到緩沖溶液中,形成混合液A。這一混合順序能夠使碘化物和碘酸根離子在堿性溶液中共存,從而防止熱力學(xué)碘的形成。硫酸溶液作為溶液B。

表1 實驗所需試劑

1.1 微結(jié)構(gòu)混合器的構(gòu)建

圖1b是微結(jié)構(gòu)混合器的三維模型,其模型是用solidworks2015創(chuàng)建的。1表示反應(yīng)腔座,2是螺紋進(jìn)口,3為螺紋出口,4是底端出口,5、6是微通道進(jìn)口,7是微混合腔體,8是混合器出口。上述螺紋連接口在混合腔座的上方設(shè)置有四組,且螺紋連接口的寬為1 mm,腔體直徑4 mm,深度均為1.5 mm,四個進(jìn)口通道均與混合腔體相切,其螺紋連接口中部的出口直徑為1.2 mm?；旌掀饔闪Ⅲw光刻樹脂(甲基丙烯酸酯光聚合物樹脂,Formlabs Form 3,0.05 mm層分辨率)進(jìn)行3D打印。外部注射泵接口處的螺紋(M6.0螺距:1 mm),流速由兩個注射泵(Harvard Apparatus)控制?；旌掀鞯墓鈱W(xué)實物照片顯示在圖1b右上方。

a-反應(yīng)溶液輸送過程 b-微結(jié)構(gòu)混合器結(jié)構(gòu)示意圖 的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖1 整體為實驗流程圖

1.2 平行競爭反應(yīng)體系

Villermamx-Dushman平行競爭反應(yīng)已被廣泛用于表征各類微型混合器的混合效率[4,11,12]。本實驗也采用該平行競爭反應(yīng)定量分析微結(jié)構(gòu)多通道混合器的微觀混合性能。

對于競爭反應(yīng)體系Villermamx-Dushman:

(1)

(2)

(3)

以分離指數(shù)(XS)來衡量混合性能:

(4)

(5)

(6)

1.3 平行競爭反應(yīng)的實驗過程

(7)

以不同流速下腔體內(nèi)Re與XS之間的關(guān)系來評估流體在微混合器中的混合情況[17]。其中Re為:

(8)

其中D:腔體直徑(m),Qi:某一流體的體積流量(mL·min-1),Si:流體進(jìn)口通道的橫截面積(m2),Vi:為流體的運(yùn)動粘度(m2·s-1)。

2 CFD模擬

2.1 CFD模擬方程

本研究中采用了基于RANS的標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型?？紤]到液相的壓縮性,在本工況下CFD模擬中對液態(tài)介質(zhì)選擇了恒定密度不可壓縮模型[18]。計算域中的連續(xù)性和動量方程可以表示為:

連續(xù)性方程:

(9)

動量守恒方程:

(10)

湍流動能(k)和湍流耗散率(ε)分別根據(jù)公式(11)和公式(12)表示:

(11)

(12)

(13)

其中C1ε,C1ε為經(jīng)驗常數(shù),C1ε=1.44,C1ε=1.92,σε,σk分別為為k和ε對應(yīng)的普朗特數(shù),σε=1.0,σk=1.3。Gk是由于平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項。

為了模擬混合和反應(yīng)過程,必須解決所涉及的反應(yīng)物種的傳輸方程。相關(guān)組分的傳輸方程為:

(14)

Ci是物種i的濃度。D是物種的擴(kuò)散系數(shù)。Γt為湍動擴(kuò)散率。Si為化學(xué)源項。其中:

(15)

Cμ為常數(shù)為0.09,Sct是湍流施密特數(shù),數(shù)值在0.7～1.0之間。

(DQMOM-IEM) Model:

(16)

Pn為節(jié)點(diǎn)n的權(quán)重,ξ為混合分?jǐn)?shù)。

2.2 物理模型和邊界條件

在本研究中,CFD模型的配置和尺寸實際實驗裝置相同(圖1),包括四個入口和一個出口?；旌先芤篈和硫酸溶液B的組分設(shè)定與實驗值相同,并規(guī)定混合溶液A和硫酸溶液B交錯進(jìn)入四通道,以實現(xiàn)有效混合?；旌掀髦械牧黧w都是穩(wěn)定的、牛頓式的和湍流式的。本研究中碘單質(zhì)以外的物質(zhì)均以離子狀態(tài)分散在水溶液中,水占水流體積的99%以上。因此,流體的大部分物理特性被假定為具有水的特性,在298 K時的粘度為1.0 mPa s,密度為998.2 kg·m-3。使用ICEM創(chuàng)建了模型的三維網(wǎng)格,如圖2所示,并驗證了網(wǎng)格的獨(dú)立性。網(wǎng)格計算域中入口的邊界條件被假定為均勻的速度分布,出口處采用壓力出口邊界條件。

圖2 微結(jié)構(gòu)混合器的網(wǎng)格模型和計算域

2.3 計算過程

穩(wěn)態(tài)的RANS模擬是基于Fluent軟件在雙精度條件下運(yùn)行的。仿真策略假定混合器中是不可壓縮流體的單相流體,具有恒定的物理特性和可忽略的重力效應(yīng)。反應(yīng)采用了物種傳輸方程和DQMOM-IEM模型,設(shè)定除I2外的其他溶液是粘度為1.0 mPa s的水溶液,通過 AMD Ryzen 95950X 16的中央處理器完成了收斂的穩(wěn)態(tài)解。此外,選擇標(biāo)準(zhǔn)的k-ε方程為湍動模型,近壁處理選擇增強(qiáng)墻壁處理(EWT)模式,采用半隱式壓力連接方程(SIMPLE)和預(yù)壓交錯選項(PRESTO)格式進(jìn)行壓力-速度耦合和壓力離散,其他項不變?；贕reen-Gauss單元的方法用于梯度離散,變量保持不變時停止計算,所有的殘差不低于10-4。

3 結(jié)果與討論

3.1 網(wǎng)格的獨(dú)立性驗證

對混合器內(nèi)部沿 X 方向反應(yīng)腔體中間高度平行的一條直線來分析網(wǎng)格數(shù)目對半徑速度(U)的影響(圖3)。通過對0.54 M、1.2 M、2.8 M(M:百萬)的計算域進(jìn)行比較,網(wǎng)格數(shù)為0.54 M時,半徑X方向上的速度較低。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)提升至到1.2 M時,X方向上速度出現(xiàn)顯著變化。進(jìn)一步提升網(wǎng)格數(shù)至2.8 M后,在X方向上的速度分布與1.2 M網(wǎng)格數(shù)分布接近。此外,進(jìn)一步比較了混合腔體內(nèi)流體的湍動能(圖4),0.54 M網(wǎng)格計算的湍動能與1.2 M和2.8 M的計算結(jié)果出現(xiàn)顯著差異,1.2 M和2.8 M表現(xiàn)出相近的模擬結(jié)果。在平衡了計算量和計算精度后,本工作中由1.2 M 計算單元組成的網(wǎng)格就能滿足計算要求。

圖3 對于不同數(shù)量的計算單元,沿X方向的反應(yīng)堆腔體中間高度的半徑速度 (U) 的比較

圖4 不同計算單元數(shù)的湍動能(k)分布比較

3.2 多通道混合腔體內(nèi)的湍動程度及I2濃度分布

多通道微混合器在不同Re條件下的湍動強(qiáng)度分布如圖5a所示,低雷諾數(shù)時(Re=2 127),混合腔體中內(nèi)具有低湍動強(qiáng)度,但由于中心出口處口徑變小,動能增大,從云圖分布上可以明顯看到中心出口處湍動強(qiáng)度增強(qiáng)。隨著Re的增加,即當(dāng)Re達(dá)到4 963時,四股流體在混合器腔體內(nèi)碰撞,形成強(qiáng)烈湍動區(qū),高湍動能的區(qū)域移動到腔室的中心,實現(xiàn)有效混合。

a-不同湍動程度等值線云圖分布 b-I2 等值線云圖分布圖5 多通道混合腔體內(nèi)的湍動程度及I2濃度分布

Re為2 127和4 963處多通道混合器平面處I2組分的質(zhì)量濃度等值線云圖如圖5b所示。在低雷諾數(shù)下(Re=2 127),從云圖分布上也可以直觀看出腔體內(nèi)I2的質(zhì)量濃度分布流體混合不完全,表明H+沒有完全分散開,混合腔體內(nèi)局部區(qū)域會發(fā)生反應(yīng)(2),生成單質(zhì)I2。

而當(dāng)雷諾數(shù)增加到(Re=4 963)時,流體混合性能增強(qiáng),H+被立即消耗掉,混合腔體內(nèi)幾乎不會產(chǎn)生I2。這也說明在高雷諾數(shù)下流體實現(xiàn)了有效混合。

3.3 不同Re對XS的影響

Re對XS影響的實驗與模擬對比情況由圖6可知,XS隨著Re的增大而減少;Re>4 000時,XS趨于穩(wěn)定,說明多通道混合器內(nèi)已經(jīng)形成湍動流,微觀混合達(dá)到最大值。模擬值與實測值變化趨勢基本一致。值得注意的是,Re<3 500時,CFD模擬結(jié)果和實驗值存在一些差異,這可能是由于在低Re下,注射泵推進(jìn)的流體有明顯的脈動現(xiàn)象,此時混合效果較差,反應(yīng)物還沒有完全反應(yīng)就流出混合器,在收集器內(nèi)還會進(jìn)一步反應(yīng),會導(dǎo)致更多副產(chǎn)物(I2)生成。在模擬過程中我們統(tǒng)一采用了k-ε湍流模型這可能會帶來誤差。總體來說,CFD模擬與實驗結(jié)果相對吻合較好,說明該模型模擬該流場具有穩(wěn)定性。CFD模擬結(jié)果也用于幫助理解混合機(jī)制,重現(xiàn)實驗結(jié)果,以獲得最佳性能。

圖6 不同Re對XS的影響

3.4 結(jié)論

本文結(jié)合實驗和CFD模擬對微結(jié)構(gòu)多通道混合器內(nèi)的混合情況進(jìn)行分析,得到如下結(jié)論:(1) 用光固化3D打印機(jī)成功設(shè)計構(gòu)建了一種微結(jié)構(gòu)多通道混合器。(2) 實驗和CFD結(jié)果都表明,流體在封閉、有限的混合腔體中心劇烈湍動,分離指數(shù)XS和Re之間的關(guān)系也證明隨著Re增大XS減小,當(dāng)Re達(dá)到4 000多以上XS趨于穩(wěn)定,實現(xiàn)有效混合。(3) CFD模擬與實驗數(shù)據(jù)性比較較吻合,說明該模型模擬流場具有穩(wěn)定性。(4) 該混合器具有良好的混合性能。因此,它有望在快速反應(yīng)及強(qiáng)化混合過程中得到應(yīng)用。