摘要：在高级流动反应器(AFR)中探索了不混溶的液-液流动的流体动力学和传质。这些系统正在成为小规模连续流体化学的主要商业系统，并且转移现象的表征对于反应实施是至关重要的。使用己烷/水作为系统模型，我们使用流体可视化技术来确定液滴尺寸分布，己烷含量和特定的界面面积，相流速率范围为10-80 mL/min。高级流动反应器的复杂几何形状及其沿流动路径的不断变化的横截面和策略性放置的障碍物产生压力变化，导致液滴破裂并增强传质。观察表明，高级流动反应器可以实现宽范围的平均液滴尺寸(0.33-1.3 mm)，具体取决于入口流量和入口组成。进行压降测量以估计功耗，并用于比较高级流动反应器与传统液-液接触器的效率。分析表明，与微反应器类似，高级流动反应器可以提供特定的界面面积(1000-10000 m-1)和总传质系数(1.9-41 s-1)，比传统的搅拌釜反应器也就是静态混合器大几个数量级。

介绍

药物行业中有大量反应涉及多相系统，维持等温条件的同时总体速率反应在很大程度上受到界面传质的限制。特别是液-液系统在化学中具有重要意义过程，包括两相反应(即，芳香族底物的硝化反应)，溶剂萃取，相转移催化作用和反应性萃取。过去二十年，微反应器技术已成为一种很有前景的技术在化学处理方面具有明显的优势传统工艺技术。其中一些快速混合，运输速度快，轴向分散度降低，大特定区域和小反应物体积。这些优点促进微反应器的使用以高度合成高能化合物或选择性的反应对当地气温非常敏感。另外，他们是用于实验室规模进行动力学研究，催化剂筛选，反应条件的优化，以及阐明反应机制。目前，人们越来越关注这一点技术到工业生产水平。但是，直接通过微反应器的并行化来增加产量单位(“横向扩展”概念)挑战是十分昂贵的。总体良好的反应器，性能仅得到保证通过实现相同的反应条件(流动均匀性，热量管理，停留时间分布，压力下降等)在每个单元中，但是数十个或数百个微反应器并联将被要求获得的订单生产率公斤/分钟。另一种方法是找到一个中间规模的设备通道尺寸较大，仍然提供高传输利率和许可证提高生产率并行化合理数量的反应器单元。

在一些商业选择中，制造的高级流动反应器(AFR)可以处理10-200 mL / min的流速，用于本研究。其设计引入了一系列心形连接电池，可产生出色的混合，传热面积大(因此传热系数高)，传质良好。虽然通道尺寸大于典型的微反应器，但单个电池的设计有助于弥补热量和传质速率的例外损失。多相反应中的总反应速率由竞争的内在反应动力学和两相之间的传质速率决定。研究流体动力学与液-液流动的传质微通道已在文献报道。同时微反应器在层流状态下运行，具有明确的定义流动模式和窄的液滴尺寸分布，传统的搅拌反应器通常以湍流模式运行生成具有更宽液滴尺寸分布的分散体。由于影响流动的许多因素(即，受限几何形状，高剪切区域等)以及先进流动反应器的几何形状引入的额外困难，该行为不能容易地外推到先进流动反应器，这类似于一系列的会聚-发散部分。静态混合器通常用于通过将流动流分流和重新组合通过管/管来增强混合，其中热传递完全通过管壁完成。它们以混合可混溶液体，产生不混溶相的分散体和乳液，液-液萃取等而闻名。通常，静态混合器的混合比这里考虑的系统大得多。因此，除了上述静态混合器的应用之外，由于非常高的传热面积，先进流动反应器可以有效地用于进行反应。

据报道，高级流动反应器可以提供出色的性能具体反应，必须彻底分析液-液系统的流体动力学。鉴于此，本研究旨在探索模型的先进流动反应器的流体动力学系统(己烷-水)。在实验部分我们讨论实验设置，细节不同测量技术和实验方法，然后分析结果中的测量值和讨论。为了评估性能先进流动反应器在流体动力学性质方面，结果是与传统的液-液控制器和静态混合器相比。

 实验部分

实验装置的示意图如图所示,该系统由先进流量反应器(AFR)的单个混合装置，一个双注射泵和压力计装置组成。高速彩色幻影相机模型连接到计算机，并且控制软件视觉研究v7.3用于获取图像序列。采集速率设置为500 fps，曝光时间设置为100μs以获得高质量分辨率为1152×896像素的图像。在所有情况下，使用背光照明增强了物体的可见度和合适的光漫射器。

图一：实验组高级流动反应器装置由四个有限结构玻璃组成产生三个流动区域的层：一个反应区(8.7mL体积)夹在两个传热区(带有一个面积每单位体积788.5 m-1)。细节不同区域和尺寸如图2所示。操作先进流动反应器的条件受到配件材料的限制(全氟烷氧基，PFA)最高温度为200°C最大压力从2.5到18 bar不等，取决于工作温度。推荐该装置的流速范围为10至200 mL / min。

Milli-Q水(密理博)和己烷用于我们的实验为不混溶的非液-液反应体系，其性质如表1所示。己烷相用苏丹红染料染色，以便在高速成像过程中容易地识别相。使用500mL ISCO双注射泵(1μL/min-200mL/min)以恒定的流速将两种不混溶的水性和有机液体泵送至它们各自的贮存器，两个部分独立操作。实验在室温(~22℃)下在不同的水(10-80mL/min)和己烷流速(10-80mL/min)下进行。出口保持开放至大气压。

 每隔5秒电影的一帧以稳态流体录制使用图片软件分析提取的数量滴和滴的大小。如此获得的数据是进一步的用于估算比表面积(a)和己烷持续时间(εh)。相持续时间用于估计滑移阶段之间的速度(vs)。传质系数(kL)使用的是更新在理论上计算估算滑动速度的理论。整体传质系数(kLa)是使用特定的界面获得的区域(a)来自流动可视化和真正的质量传递系数(kL)。

 图2. 先进流动反应器(a)多相系统的混合模块;(b)心形细胞参考尺寸;(c)模块横向截面的视图

在不同的情况下测量高级流动反应器上的压降，压力表安装在PFA管上的流速携带两个液相出口，在大气压下打开。基于洛克哈特-马提内利方法的相关性是从这些测量开发的。

结果和讨论

流体区域

所有实验都在室内进行己烷出口处的温度和大气压水流速为10至80毫升/分钟。一个典型的AFR模块在稳态液液流动时的图像是如图3所示。

图3. AFR模块中己烷/水的流动模式

与通道中的流动情况相反，在具有恒定横截面尺寸和形状的情况下，AFR中的宽度沿着每个心形细胞中的流动路径变化。与两相流相关的无量纲数用于定量分析。 AFR的雷诺数(Re)是根据心形入口处的尺寸和速度估算的。
                          Re = (VDhρ)/μ           (1)
    入口处的两相Re(基于平均流体密度和粘度)范围从460到3700，而个人的Re对于己烷和水，基于表面速度的相分别为180至1400和390至3200。因此，与具有非常明确且可预测的流动模式的典型微反应器不同，AFR中的流动状态预期范围从层流到湍流。类似地，使用表面相速度估算每相的韦伯数(We)为

Wei=(Vi2dpρi)/σ           (2)

对于测试的流速范围(每个10-80 mL / min)相)，己烷和水的We值分别在0.30-19和0.45-29的范围内变化。在AFR中，界面力和惯性力都很重要，后者在较高流速下获得更多相关性。在液滴形成过程中，液滴相对于主流的方向及其变形过程都取决于竞争的流体动力学和界面应力。粘性力作用于液滴倾向于使其伸长，而表面张力倾向于将液滴的形状保持为球形，使液滴表面与体积之比最小化，并且根据毛细管数(Ca)定义为
                          Ca= μV/σ                (3)

这里研究的操作条件的Ca范围从0.003到0.024不等，这反映了更大的贡献表面张力对液滴形成的影响。据报道，微流体中的液滴形成主要受表面张力效应和几何限制。通常在微反应器中，在低速下，惯性效应通常可以忽略不计，并且临界Ca决定液滴破裂和流体-流体相互作用。在微观中的两相流动期间流体系统，当流体细丝伸展并变薄时，毛细管数减少，当它变得小于临界值(即0.1-0.01)时，表面张力将液体细丝破碎成液滴，从而使界面面积最小化。然而，AFR中的流速大约为10-100mL / min，并且在瞬态到湍流状态下，与简单的直通微通道相比，AFR的流体动力学特性会有所不同。因此，在AFR中，在非反应性系统中，粘度和表面张力保持不变，表面速度根据横截面积显着变化。因此，沿着流动路径的区域可以存在于Ca可以低于导致液滴破裂的临界水平的区域。由于在我们的实验条件范围内，AFR入口处的Ca值(其具有与各个心脏形状的入口相似的尺寸)处于临界水平范围内，局部剪切和Ca将控制液滴破裂。

我们用过的另外两个无量纲数分析是爱提莫的数字(Eo)和莫顿数(MO)。前者(也称为邦德号;等式4)是通常与后者(方程式5)一起使用以表征多相系统中气泡或液滴的形状。他们是定义为

Eo =(Δρgdp2)/σ      (4)

Mo=(Δρgμc2)/(ρc2σ3)     (5)
具体到己烷-水系统，莫顿数是2.5×10-11。通常，液滴形成经历a现象序列，即分散相流体位移，其伸长，变形和脱离事件，并且当液滴流过连续相时，它们经历分裂和/或聚结。与常规搅拌容器相比，这些动态过程受到小通道中壁的存在(如AFR中的受限几何形状)的显着影响，其中大尺寸使得壁效应可忽略不计.从可视化实验中观察到水始终是水无论每个阶段的工作流量如何，都是连续阶段。AFR(玻璃)构造的亲水性材料使己烷分散成液滴，而水相润湿壁。在传统的搅拌容器中没有发现这种观察，其中初始条件和功率输入决定了相转化的可能性.在搅拌反应器中，液滴尺寸取决于输入能量(搅拌)，设计，类型使用的叶轮，以及两种液体的物理性质。对微通道的研究表明，流动模式受到许多因素的影响：其中一些因素是可变的(操作条件，流体特性)，另一些是固定的(通道尺寸，设备几何形状)。因此，色散特性是依赖于器件的，并且几乎不可能建立预测液滴尺寸的一般规则。在AFR中，采用固定设计，两种液体的相流速和物理特性也决定了液滴尺寸。在本节中，以定量方式讨论相关的观察结果。

大多数关于液-液流动的研究(分散或色散已经对单个液滴进行了环形流动在T型接头或流量聚焦装置中产生。但是分散，例如在AFR中产生的那些，表现出来与单个液滴不同，具有内部相互作用由于AFR的受限几何形状和小流动路径，剪切速率和分离动力学都会影响色散特性。沿AFR的主要流动模式是下降流，下降尺寸小于设备特征尺寸。团状流也存在于连接前两排的直线部分中，其中液滴尺寸仍然大于通道横截面，并且液滴被形成块的壁挤压。

图4.流速对液滴形成方式的影响。(A)水流量/己烷流量= 1; (B)水流速/己烷流速= 1,4和1，总流速从20mL / min变为50mL / min，并且为80mL / min
        图3和图4的另一个重要观察是，不像微型反应器(液滴尺寸非常窄)获得分布)，取决于流量AFR导致形成相对宽的液滴规模分布。

下落大小分布

从可视化实验获得的图像测量液滴尺寸分布和数均液滴尺寸。如方程式6所示计算的索泰直径(d32)也用于表征分散体。它的大小取决于最大和最小液滴尺寸以及液滴尺寸分布的形状。

图5.流速对液滴尺寸和液滴数量的影响。功能作用己烷是增加滴数，而水是减少滴的大小

图6.墨滴大小与毛细管数。己烷流速为参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60毫升/分钟; ▲，80 mL / min

己烷流速对液滴尺寸影响的一个例子的分布如图所示，水流速为40 mL / min。数字密度函数墨滴大小类似于对数正态分布，具有更强的分布在最低水流速下的效果，其破损由于连续的低惯性，液滴更难阶段克服界面力。需要高剪切来引起液滴的破裂，这是在高总流量下获得的率。在高流速下，液滴仍然很小连续相防止聚结。还观察到最窄的尺寸分布和较小的液滴尺寸在高总流速下获得。这通常是理想的大多数应用，因为较小的液滴为传质提供了高效的界面面积(m2 / m3)。

   直径保持在0.37-1.5的范围内对于大多数流速，除了最低的水流速(10和20 mL / min)和最高己烷流速(60和80mL / min己烷，10 mL / min水，80 mL / min，20索泰直径超过2毫米的mL / min水)。这种行为符合实验在这些低水流速下观察，其中分散由于数量很少，相位下降很难解决存在的水。非常大的共存非常大观察到小滴，其影响索泰直径通过下降大小的统计时刻估算分布。
         液滴形成的不同方案如图4所示为恒定的水-己烷流速比增加总流量。对于垂直配置AFR，重力影响最低流速下的双相流(每相10 mL / min)和最轻相(己烷)占据心脏细胞的上半部分。作为总流量增加，惯性克服浮力效应。在两相的低流速(总流速为40 mL / min)下，滴落观察到制度，定期形成个体滴在心脏细胞的入口处。增加总流速导致形成射流，其中随后断裂以产生不同尺寸的液滴。该剪切速率随总流速的增加而增加尺寸更小，尺寸分布更宽。这里我们展示了增加外部流速和内部流速的效果。对于Wein = 0.1，如果我们增加外部流速(Caout)，这会导致流动状态从滴落变为喷射。如果我们将Wein从0.1增加到1.9，保持外部流速恒定，则增加喷射长度。
         己烷的平均液滴尺寸随着己烷以及水流量增加而降低;然而，用于己烷流速的10和20mL / min的水流速的液滴尺寸的变化比对于较大的液滴尺寸观察到的变化更显著。在选择操作条件的过程中，重要的是还要注意水流速主要决定液滴尺寸，而己烷流速决定液滴的数量。这种效果可以在图5中看到，其中显示了三个非常有代表性的己烷-水流量的情况。在“情况1”(图5，左)中，低流速的水(10mL / min)和己烷(10mL / min)产生约1mm的液滴尺寸。如果以案例1作为比较基础，将水流速从10加仑/分钟提高到80毫升/分钟，同时保持己烷以10毫升/分钟流动(这使我们得到“案例3”;图5，右图)主要导致减少滴液大小与液滴数大致相同。我将己烷流速从10加仑/分钟提高到80毫升/分钟，而水流速为80毫升/分钟(“情况2”;图5，中间)增加了滴数，而液滴尺寸几乎保持不变。

Ca对己烷液滴尺寸的影响如图6所示，以己烷流速为参数。结果发现Ca和Qh都对决定这一点有很大的影响液滴大小。在低Ca下，己烷流速的影响是显著大于毛细管数量，用一般倾向于减小液滴尺寸。有一个液滴尺寸和功耗之间的妥协，因为流速增加导致能量输入增加(增加水流量相当于增加Ca)。有一点可以增加能量输入泵送己烷相不会导致显着的减小墨滴大小，因为己烷相对滴数的影响较大。

  图7. AFR中平均液滴尺寸与流动状态之间的关系。 (A)分散相与己烷韦伯数的下降大小。水流速为参数：Qw =■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min。 (B)分散相与水韦伯数的下降大小。己烷流速为参数：Qh =■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min 

 己烷韦伯数对平均下降的影响如图7所示，尺寸反映了流动状态的变化：当低韦伯数，表面张力效应主导惯性，而在更高的韦伯惯性效应接管并支配界面。韦伯数的连续效应阶段比韦伯数更强在液滴尺寸上的分散相，正如水流速与己烷流速相比更强的影响所反映的那样。在用于煤油/水系统的矩形微通道中观察到相同的观察结果。
   沿流路径下降大小变化。 AFR显示了一个关于微通道运行的不同行为段的流态。虽然微通道具有限定尺寸的块，但如图3和4所示，AFR具有沿流动路径的液滴尺寸分布。系统己烷 - 水不是反应性的，但仍显示沿流路的液滴尺寸减小，如图8所示。一个有趣的结果是，无论水流速率如何，液滴尺寸从第四排几乎保持不变，这可能对应于平衡液滴尺寸。为了表明已经达到平衡状态，每行中平均液滴尺寸/ 索泰直径的比率如图9所示。可以看出，在较高流量的早期行中达到了平衡尺寸(比率= 1)

 图8. AFR中行与行的平均下降大小。己烷流速参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60mL / min; ▲，80 mL / min

己烷含量很重要为了确定滑移速度，测量为体积使用由提供的信息提供的己烷分数图片。每个心脏细胞计数滴数从平行于AFR平面的平面看到的那些。以来AFR层厚度为1.1毫米，存在两种共存液滴的可能性：浮动液滴和堆叠液滴。在里面第一种情况，己烷含量可以很容易地计算出来滴数和液滴大小，因为液滴的数量从上面看，正好是整个通道高度中实际存在的液滴数。在第二种情况下，当从上方看时，液滴堆使得不可能准确地知道存在多少滴，并且需要做出一些假设。根据液滴的填充结构，可以在厚度中共存的液滴数量会略有不同。考虑了两种填料配置：简单立方填料和紧密填料。忽略沿通道宽度的最终效应并关注最终对高度的影响，紧密填料能够容纳更多的液滴(比率简单立方填料/密堆积= 0.67)。选择密堆积来计算滞留分数，因为它被认为与实验观察是更好地一致的。

图9. AFR中行/ 索泰直径的行与行中的平均液滴尺寸的比率。己烷流速参数：■，10 mL / min; ○，20mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min  

计算保持率遇到了两个局限性。首先，只有一个液滴尺寸(平均值)被考虑用于每个心脏细胞。其次，假设每行由具有相同液滴尺寸分布的心脏细胞组成，但液滴尺寸实际上从AFR的入口到出口连续减小。然而，从平均液滴尺寸计算己烷含量每行可用作估计传质系数的第一近似值。
         己烷滞留量如图10所示流量比Qw/Qh。可以看出分馏己烷含量随着水与己烷流量比的增加而减少(几乎在所有水和己烷流速组合)。有一些在非常低的水与己烷比率下的偏差，因为己烷流速很高，以至于连续相惯性不足以打破滴。获得好处是不可能的相关连接相持续率与流量比。这个可能是由于表面张力的影响。

 图10.己烷含量与流速比。水流量为参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60毫升/分钟; ▲，80 mL / min

Ca对己烷滞留的影响如图11所示。可以看出，己烷含量随着Ca的增加而减少，表示惯性力对表面的影响张力。值得注意的是，当己烷以10和20mL / min的流速流过低Ca时，己烷含量急剧下降。通过增加两相Re观察到降低，在较低的Re下这种下降更加剧烈。连续相的增加We也降低了己烷含量，在较低的己烷流速下具有更大的影响(图12)。

图11.分数己烷含量与毛细管数。己烷流速参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min

图12.分数己烷含量与水韦伯数。己烷流速参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min

有效的界面区域。界面面积由数均液滴尺寸和实验己烷含量计算，使用方程7.

a = 6εh/dp         (7)

在低流速下观察到高的特定界面区域比率Qw / Qh和高水流量。增长率雷诺数的界面面积随着水流速的增加而增加，并且在较大的己烷流速下减慢。毛细管数对有效界面面积的影响如图13所示。沃斯数的变化是己烷流动的强函数速率随着分散相流速的控制而下降。在低己烷流速下，Ca值略微降低，其效果可忽略不计超过40 mL / min，这是中试或工业规模生产的典型操作条件。然而，对于最大己烷流速，60和80mL / min，用Ca观察到有效界面面积的连续增加。

图13.有效界面面积与毛细管数量。己烷流速参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min 

传质系数

传质系数使用堪布克对表面修复理论的修改来估计.在希格必的原始渗透理论中对于气液传质，传质过渡界面被认为是一个不稳定的过程，其中连续液体表面被认为是由小的形成的流体元素，短时间与气相接触跨度，然后它们穿透大量流体，被替换通过气液界面处的新流体元素。真的基于表面更新的传质系数(kL)理论由方程8给出：
                 kL = 2 (DL/πt )1/2               (8)

接触时间计算为液滴尺寸与的比率滑动速度(vs)对于传质系数的确定是必不可少的，并且使用等式9估算，其需要每相的表观速度和从可视化实验测量的保持率。该公式类似于具有并流46,47的气液反应器的气泡滑动速度，并且还用于许多其他接触器中的液 - 液系统。
                vs=(vh/εh)-(vw/εw)             (9)
    总的传质系数在图14中以水与己烷的流速比表示。随着Qw / Qh的增加，观察到传质系数的一般降低。对于恒定的水流速Qw，总传质系数(kLa)随着己烷流速而增加。这种变化与液滴尺寸随流速的减小有关，这增加了界面面积，并且液滴内部循环的增加具有更高的剪切速率和速度。对于恒定的己烷流速Qh，对于较大的水流速，传质系数增加。因此，建议动力学控制的反应在高水和己烷流速下操作。而且，高的总传质系数表明在反应器中必须具有短的停留时间(图15)。因此，更小AFR板的数量实际上就足够了，因此，提供试点或商业规模的生产用于在较小的住宅中完成的快速反应时间。另一方面，缓慢的反应需要长期居住时间来实现合理的转换并增加温度和/或连接多个AFR单元可以解决这个问题，而不会影响整体传质系数。每个反应的要求是特定的，因此需要操作条件精心挑选。

图14.总传质系数与流速比。水流量参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min

图15.总传质系数与停留时间的关系。水流速为参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL /分钟; ◇，60 mL / min; ▲，80 mL / min

压力下降

压降测量用于直接估算功耗决定了特定的界面面积以及传质速率。在AFR中，仅需要将两种液体泵送到装置中，并且不需要像在搅拌容器的情况下那样提供搅动的额外动力。实验测量的不同入口两相Re的压降如图16所示。使用洛克哈特-马蒂内利方法的框架建立了估算己烷/水压降的相关性.这是最常用的方法之一预测两相压降，它可以通过修改特定参数的值，在两个阶段的广泛流动范围内使用(层流 - 层流，层流 - 湍流，湍流 - 层流，湍流 - 湍流)。计算修正的奇泽姆参数校正因子(C *)以拟合实验数据。当使用以Qh /(Qw + Qh)比率表示的每个水流速的校正因子的一个相关性时，可以看到图17中所示的实验数据的良好预测。相对误差从0.43-170％降低到0.16-37％并且随机化，相对于不依赖于水流速率的校正因子的单一相关性，如图18所示。还可以看出较大的误差获得最低流速(每相10和20 mL / min流速的组合)

 图16.压降与雷诺数的关系。水流量参数：■，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min; ◇，60毫升/分钟; ▲，80 mL / min

图17.实验与预测的两相压降。每个水流量的Qh / Qtotal方面的校正因子不同。水流量：●，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL / min;◇，60 mL / min; □，80 mL / min

图18.压降预测中的相对误差。不同每个水流量的Qh / Qtotal校正因子。水流速参数：●，10 mL / min; ○，20 mL / min; △，40 mL /分钟; ◇，60 mL / min; □，80 mL / min

AFR与其他液-液接触器的比较。所呈现的AFR的不同流体动力学参数可以与文献中针对不同的常规液-液接触器和静态混合器报告的类似参数进行比较。每单位体积相同功耗的不同参数值被认为是比较的基础。图19中示出了平均液滴尺寸与功率消耗的关系。首先，可以看出，对于特定装置，即振动混合器，实现的液滴尺寸取决于液-液系统的物理性质。在这里可以看出，AFR不提供最小的液滴尺寸。然而，重要的是不仅要考虑液滴尺寸，还要考虑产生液滴的数量，因为这会影响总界面面积，从而影响总质量传递系数。

图19.不同液体的液滴尺寸与功耗的关系 - 液体接触器49-51(符号：■康宁 AFR，△振动混合器(煤油 - 水)，振动混合器(石蜡油 - 水)，□振动混合器(甲基硅油水)，◆环形离心萃取器(硅油水)，●搅拌槽发酵罐(14升)，◇无挡板摇动烧瓶(250mL)，▲带挡板的摇瓶(300mL)，*搅拌罐，+静态混合器I，×静态混合器II，静态混合器III)
         AFR操作的有效界面面积值流速为10至80 mL / min的范围为1000-10 000 m2 / m3，高出1个数量级在常规搅拌容器中获得的那些，其中界面面积约为500m2 / m3.表2中列出了其他液 - 液接触器的典型有效界面面积。填充床柱和RTL提取器不能产生界面区域尽管如此，冲击射流反应器和微通道在产生比表面积方面具有更大的能力，但是如下所示，传质系数小于AFR中获得的传质系数，主要是由于较小AFR中的丢弃尺寸和更高的保持值。比较特定界面区域的更好指标考虑了功耗，如图20所示。根据该指标，AFR在创建界面区域方面比其他液液接触器更有效，可能是由于其设计有沿着流动路径通过心形细胞的一系列发散/会聚部分导致连续破裂并且分散相的聚结，产生大量小液滴，这增加了界面面积，仅需要能量输入来泵送流体。然而，其他接触器需要额外的能量输入来提供搅拌，并且可能存在更高的能量消耗，而不是用于在相之间产生新的表面。

关于界面面积和质量传递的数据非常少静态混合器的系数可在文献中获得，与液滴尺寸相关的数据更为主要。这里我们提供有关传质的信息气体/液体和液体/液体系统的界面区域静态混合器用于比较。筛网型静态混合器中不混溶液体的总传质系数在1-10s -1范围内，能量耗散率为10-100W / kg。据报道，HEV静态混合器比其他混合器更有效，界面面积范围为3×102到3×103 m2 / m3，功耗为0.1到1 J / kg .界面区域具有相同的数量级作为在毛细管微通道中获得的值并且与AFR中获得的值相差不大。

众所周知，在传统容器中传质较高速率可以通过增加剪切来实现更高的功耗率。之间的关系因此，传质系数和功率输入是a测量设备的效率，并可用作比较不同液 - 液接触器的度量。一些间歇式反应器，静态混合器和填料的典型值微通道与AFR一起显示在图21中结果。虽然搅动的容器需要能量来泵送液体并搅拌其液体内容物，微通道和AFR以他们不需要提供额外电力的方式工作搅动。从结果和传质数据可以看出从文献中可以看出AFR在质量方面是优越的传输功耗，其值为克拉维因范围1.9-41 s-1，功率输入0.2-400 kW / m3毛细管和填充微通道是最接近的接触器在表现为AFR，而激动的船只和科赫静态混合器是最远的。

图20.不同液 - 液接触器的有效界面面积与功耗的关系。 - □ - ，康宁，Qw = 10 mL / min;  - △ - ，康宁，Qw = 20 mL / min; - × - ，康宁，Qw = 40mL / min;  - *  - ，康宁，Qw = 60mL / min; -  +  - ，康宁，Qw = 80 mL / min;●，毛细管微通道; ■，两个撞击射流反应堆; ▲，空气操作两个冲击射流反应器; ◆，搅拌接触器; ◇，苏尔寿静态混合器; ○，HEV静态混合器

图21.不同液 - 液接触器的总传质系数与功耗的关系.■，康宁; △，间歇式反应器;▲，静态混合器; ×，填充微通道; □，气动两个冲击射流反应堆; ○，毛细管微通道; ◇，搅拌接触器; ◆，两个撞击射流反应堆

结论

在微反应器技术的背景下，先进的流动康宁公司的反应堆似乎是商业上的反应堆之一可用的选项，以扩大多相反应实验室(微)规模到生产水平(毫米级)。该AFR的复杂几何形状不断变化沿着流动路径的横截面和心脏细胞内的障碍物产生压力变化，这导致液滴破裂并增强传质。已经示出了该装置相对于其他传统液 - 液接触器在总质量传递系数和功耗方面的优越性能。对于AFR中推荐的操作条件，每相10至80 mL / min，液滴尺寸小至0.33 mm，传质系数约为10 s -1。流体性质对分散体的特性(液滴尺寸分布，分散相保持力，界面张力等)具有强烈影响。将探索使用具有更广泛性质的流体的更多研究，以便于识别与运输速率和相持有数据的特定要求相关的操作条件。这将通过计算流体动力学模拟和实验用于许多系统来完成。相关内容* S支持信息AFR中己烷/水系统的液滴尺寸分布;AFR的包装结构;衡量标准的可重复性;有效的界面面积与功率消耗和分散相的液滴尺寸对不同液 - 液接触器(包括微通道和静态混合器)的功耗;对于不同的水流速，以己烷-总流速计的表面能的分数。这些资料可通过互联网免费获取，网址为http://pubs.acs.org。

■作者信息通讯作者

*电子邮件：kfjensen@mit.edu。

笔记作者声明

没有竞争性的经济利益。

■致谢

我们要感谢康宁公司向我们提供高级流动反应器和来自埃杰顿的吉姆贝尔斯博士，麻省理工学院的中心为我们提供高清相机。所有作者都来自美国的财政支持诺华麻省理工学院连续制造中心。 A.A.K.和M.J.N.R.感谢印度-美国科学和技术奖学金(IUSSTF)和从(西班牙)攻读研究生课程的奖学金。

原文标题：《Hydrodynamics of Liquid−Liquid Dispersion in anAdvanced-Flow Reactor》

原文出处：Ind. Eng. Chem. Res.2012, 51, 16251−16262

涉及流体力学

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