研究：混合效果不够理想的成因解析

快速反应的体系，都必须以良好的混合作为前提，混合效果对其产物的收率以及产品质量等都有着决定性的影响。

液/液均相混合是指两股物料之间可以完全互溶的混合，通常发生在溶剂相同的溶液或者彼此互溶的液体之间。

达到理想混合状态则意味着实现了分子级的混合，也就是在混合流体内部任何区域的任意大小控制体内，分子环境完全相同，每一种分子或离子在空间各处分布均匀。

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流动化学微反应过程中的微尺度均相混合指的是在微结构设备内进行的流体间的混合，它与微观混合是两个不同的概念。

在微设备里的大多数流动的Reynolds数远小于2000，为层流流动。相对于传统混合设备，微混合器在实现高效混合上的优势本质上归结于它极小的设备当量直径，一方面，它大大缩短了分子扩散的路径，另一方面，增大了流体间接触的表面积。所以，在微混合器内，要达到分子级混合的状态，大多数分子只需要通过运动一段较短的距离就能够到达理想混合状态。

02

清华大学化学工程系骆广生教授研究团队对于引入气相强化微混合性能进行了较系统的研究，设计了三种不同结构的微混合器开展研究[1]，分别是T形（T-junction）微混合器、十字形（cross-junction）微混合器和同轴环管（co-fl ow）微混合器，如图1所示。

T形（T-junction）微混合器如图1（a1）所示，选取这个结构的主要原因是构型的简洁和较强的实用性。为了强化混合，在通道中设置了毛细管通道引入气相（N2），位置如图1（a2）。第二种微混合器是十字形（cross-junction）微混合器，如图1（b1），溶液A的进料口在两侧，而引入气相的位置则是在上游，即溶液B还未与溶液A进行混合的时候，如图1（b2）。第三种同轴环管（co-fl ow）微混合器与十字形微混合器的轴对称有所不同，属于中心对称式结构，如图1（c1），引入气相的方式则是在尖端拉伸的毛细管内部再嵌套一层毛细管，如图1（c2）。在上述微混合器中，主通道的宽度w和深度h分别为600μm和400μm，侧通道的宽度ws和深度h都是400μm。

针对高黏、大流量比体系微尺度混合性能，有哪些因素的影响规律、混合规律，其机理探究和数学模式等内容，我们会逐步向大家介绍，请关注我们的公众号。

03

今天首先介绍各因素对液/液均相混合的影响规律。

针对体系黏度、混合流量比以及通道结构对混合性能的影响规律进行研究。从图2（a）可以看出，XS随着体系黏度的增加持续增大，并且在三类微混合器中，黏度的影响效应没有显著差别。正如传统混合理论所述，在最微小的尺度下，分子级混合的实现最终都是依靠分子扩散，而高黏度则意味着低扩散系数、缓慢的分子运动速度，因此黏度提高时分隔因子XS变大、混合变差是较容易理解的。正是由于黏度的效应在此占据了最主要的作用，微通道结构的影响效应在这种条件下基本上可以忽略。

图2（b）表明，混合流量比R越高，分子级混合越困难。其中，T形微混合器在R=25下的混合变得尤其困难。

下期介绍“气相强化高黏体系、大流量比的液/液均相微混合规律”，敬请关注我们的公众号。

[1] Zhang J S, Wang K, Lu Y C, et al. Characterization and modeling of micromixing performance in micropore dispersion reactors[J]. Chemical Engineering and Processing: Process Intensifi cation, 2010, 49(7): 740-747.

[2] 骆广生，吕阳成，王凯，张吉松等，《微化工技术》化学工业出版社。

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