被动式微混合器内液-液两相流的研究进展★

王梦娜，张 珂，田晋平，李秉正

（太原科技大学环境与资源学院，山西 太原 030024）

微通道反应器具有安全、高效、高值的特点，化学反应能够在几秒钟到几分钟时间内完成，可以突破传统反应器传质效率低、反应速度慢的瓶颈，还解决了传统反应器过程难以控制、安全隐患高等问题，显著提高了化工资源和能源利用率，符合提高精细化产品质量的要求，已广泛应用于材料合成、结晶、萃取、聚合等领域，推动了化工行业的发展。

微通道中两相的混合与传质是影响反应速率、转化率和收率的关键因素。在微米或亚毫米尺度的微通道内实现流体混合的设备称为微混合器，根据是否加入外部能量分为主动式混合器和被动式混合器。主动式混合器是通过引入电能、热能、超声波、磁力、脉冲等外部能量，使通道内的流体发生扰动，提高流体间的接触面积，极大地缩短了流体混合路程和混合时间，使混合效率显著提高。但是主动式混合器需要在微通道的基础上添加能量供应和传导装置，存在加工难度大和成本较高问题。被动式混合器（又称静态微混合器）主要通过减少两相流体扩散距离、重复拉伸和重组流体来实现流体的多层叠加，从而提高混合效率，具有结构简单、易集成复杂的微流控系统的优势，具有良好的发展前景。基于此，本文重点探讨了被动式微混合器内液-液两相传质与混合的影响因素，并总结了改善两相流混合与传质的方法，旨在为微混合器及微通道反应器的优化和应用提供参考。

1 微混合器的混合

在微混合器中，微通道内流体流动状态多为层流，湍流混合难以产生。微通道内的流体混合包含两种机制，第一种是在对流阶段，液滴内循环加强了流质之间的接触面积；第二种是分子扩散，在液滴内无内循环处，溶质依靠浓度差进行两相流质之间的交换。实际过程中流体的混合是两种混合机制的协同作用的结果。

2 影响被动式微混合器两相流传质与混合效率的因素

2.1 两相物性

不同的流体由于其本身的物性，导致流体间的传质系数有所差异。例如，甲苯在水的传质系数高于正己烷在水的传质系数，其原因是甲苯的黏度高，与水之间的界面张力较低，可以有效改善液滴的内循环。而研究发现增加其中一相流体的黏度时，可以提高混合效率，但改变密度对混合效率没有影响。

2.2 两相流流速

两相流体流速直接影响管道内流体雷诺数和惯性，在低雷诺数区域，流体流速较慢，停留时间长，分子扩散作用增强，混合效率高；高雷诺数区域，流体内发生内循环，增大两混合流体的接触面积，降低混合距离，提高混合效率。在实际工作中，雷诺数越高，压降越高，无法实现两相的完全混合。因此，在研究中，选取合适的流速是保证混合效率的关键。

2.3 壁面湿润性

微通道材料可以影响通道壁面与流体间接触角，影响通道与两相的湿润性，进而影响通道内液滴的形成。王维萌等[1]研究了壁面接触角会影响生成液滴的流型，分散相与壁面接触角越小，会导致接触面积的增大，生成稳定的液滴。但是流速过大会使液滴生成频率降低，加大混合难度。当微通道更亲连续相时，可以形成液滴或液柱。

2.4 微通道的尺寸

在纳米级微通道中，液-液两相流体的混合效率受黏性力和表面张力共同控制，在毫米级别的微通道中，液-液两相流体的混合效率还受重力的影响。减小微通道的尺寸可以增大界面面积，并增大内循环和传质阻力，从而提高传质系数。

2.5 微通道截面

微通道的横截面以圆形和矩形居多，在使用模拟软件对其内部流体进行分析时，3D 模型主要用来模拟横截面为正方形或矩形的微通道内流体流动情况，截面为圆形的微通道多采用2D 模型模拟内部流体的流动，以减少计算机的运算量。陈一宇等[2]对比了三维菱形通道与直通道传质效率，三维菱形通道具有更高的传质系数，压降更大，能够有效诱导涡流的产生，增强两相的混合，进而增强传质。

2.6 微通道的入口结构

T 型微混合器是最简单的被动式混合器。两相流分别从T 型两端进入，流体依靠对流作用和分子扩散进行混合，这种通道内的混合时间一般较长，微通道尺寸越小，扩散距离和扩散时间越短。杨丽等[3]用COMSOL 仿真软件研究了T 型微通道内的混合机制，发现旋转扰动作用可以使两相界面发生旋转，增加流速可以增强旋转扰动作用，混合效果更好。吴玮等[4]对比了单级T 型微通道与双极T 型微通道的混合效率，随着雷诺数（0～200）的提高，双极T 型微通道的混合效率明显高于单级T 型微通道，最高提升了40%左右，其原因是双级T 型微通道会进行二次混合，流体接触面积增大，使得微通道内易出现涡流，混合即增强。在T 型微通道的基础上，逐渐发展出涡旋型T 型微通道、Y 型、十字型等流体入口方式，以获得更小的液滴，生成频率也相应增加，从而提高混合效率。

2.7 微通道混合区结构

微通道混合区的结构主要有直通道和弯曲通道两种。王佳男等[5]通过研究流体流经二维弯曲管道时，液滴内部可以产生混沌流，混合效率更高。此外，多级螺旋微通道也证明可以获得更高的混合效率。

3 改善两相流混合与传质的方法

3.1 混沌式

向微通道内部加入挡板或设置凹槽，可以改变流体的原先的运动轨迹，提高两相流体的接触面积，得到与主流方向垂直的二次流，再次引发混沌对流，加速两相在低雷诺数条件下的混合。常见的形式包括加入矩形、平板型、梯形、圆柱型、锯齿状挡板、半圆柱槽，以及改变挡板与微通道的夹角。杨雪芳和林莹[6]在T 型微通道中添加矩形、斜面梯形和曲面梯形挡板的研究发现，加入矩形挡板产生的混合效果最佳，但斜面梯形造成的压力损失最小，综合性能最优。此外，三角形挡板、六角形挡板、菱柱形挡板、半圆柱槽以及不同的挡板结合等都证明了可以加强流体混合。

李健和夏国栋[7]将挡板与弯曲微通道结合，在微通道内形成了扩展涡、分离涡和Dean 涡加强了流体间的扰动。李慧玲[8]对直通道和凹穴型微通道内的速度场、流场和涡量进行定量和定性分析，结果表明，凹穴拐角区域易形成涡流，且不同尺寸凹穴结构产生的涡流对流场的扰动作用不同。液滴大小随凹穴高度和宽度的增加而逐渐增加，随凹穴间距的增大而逐渐减小。

3.2 分流合并式

在微通道内加入障碍物会导致较大的能量和动量损失，而将流体不断进行分流-混合-再分流的循环切割流体，会增强流体自身的内循环，打乱流体原本的运行轨迹，将流体重新进行分布，如此反复，直到流体充分混合。周培培[9]搭建树状型并行微通道用于制备乳液，优化了压降与黏性耗散等消耗能力，并且流体经过树状型微通道时，流速分布更加均匀。

本课题组借助康宁微通道反应器卓越的传质传热性能和优异的耐腐蚀性，解决气—水—有机三相Bunsen 反应（SO2+2H2O+I2-甲苯→2HI+H2SO4+甲苯）的传质问题和混酸产物的强腐蚀问题。康宁微通道反应器由多个其具有独特心型结构的单元模块组成（如图1），使流体重复地分流再合并，有助于增加各相之间的接触面积。结果显示，康宁微通道反应器SO2在水相与甲苯相之间的传质速率是传统釜式反应器的10 倍以上。

图1 康宁微通道反应器[10]

3.3 分层式微通道

分层式微通道将不同的流体进行分层，再层层相叠，从而增加流体的接触面积，改善混合效率。何木川[11]设计出跨桥式微结构混合器，流体经过跨桥通道时，组分界面发生偏转，可以增大界面面积，3 个子通道流体进行层层叠加，成倍地强化了组分间的物质交换。

4 结语

微通道反应器由于轻便、高效、灵活、安全的优点已广泛应用于多个行业。被动式微混合器不需要添加额外的能量场，结构简单，易集成复杂的微流控系统，具有良好的发展前景。通过改变流体物性、流速、微通道尺寸、几何结构可以提高微通道内的流体混合及传质效率。增加一相流体的黏度可以提高混合效率；提高流速可以增大雷诺数和惯性力，但是也会增大压降，并不总是促进流体的混合；减小微通道的尺寸可以增大两相界面面积，提高传质系数，促进混合；相同水力直径下，矩形微通道截面比正方形的传质效率更高；改进微通道的入口和混合器结构均可以促进混合，强化传质。通过在微通道内加入障碍物和凹槽，流体分流或引入二次流导致流体的形变、拉伸、折叠，可以增大流体的界面接触面积、减少流层厚度，从而改善液-液两相流的混合与传质。目前微通道的混合与传质机理还有待完善，解决通道阻塞、并行管道内流体分配等问题是进一步大规模工业应用亟待解决的问题。