Visual study on the characteristics of liquid and droplet in a novel rotor-stator reactor

Rotor–stator reactor(RSR), an efficient mass transfer enhancer, has been applied in many fields. However,the hydrodynamic characteristics of liquid flow in RSR are still a mystery despite they are fundamental for the mass transfer performance and processing capacity. In view of the above, this paper studies the liquid–liquid flow and liquid holdup in RSR under various conditions with a high-speed camera. The paper firstly demonstrates two flow patterns and liquid holdup patterns that we obtained from our experiment and then presents in succession a flow pattern and a liquid holdup criterion for the transition of film flow to filament flow and complete filling to incomplete filling. It is found that experimental parameters, including rotor–stator distance, rotational speed and volume flow rate exert great influence on the average droplet diameter and size distribution. Besides, by comparison and contrast, we also find that the experimental values match well with our previous predicted calculations of the average diameter, and the relation between the average diameter and the mean energy dissipation rate.

基于液滴反应器的图案化ZnO纳米棒阵列的合成和荧光检测性能

设计并制备了一种低成本的液滴反应器,通过半开放的微孔捕获液滴在衬底上合成图案化ZnO纳米材料。探究了不同液滴更新间隔时间合成的ZnO纳米棒形貌和尺寸的变化规律以及液滴蒸发过程中随着接触角的变化液滴内部流速的变化。利用扫描电子显微镜(SEM)对ZnO纳米棒的形貌进行表征。结果表明,ZnO纳米棒形貌在不同的液滴更新间隔时间下出现明显变化,当更新间隔时间为1~2min时(在液滴体积减小到20%前更新),纳米棒具有最大长径比。此外,以ZnO纳米棒为基底对羊抗牛免疫球蛋白G进行了检测,探究在不同的合成条件下制备的ZnO纳米棒阵列的荧光检测性能。结果表明,基于液滴反应器的合成方法有利于图案化ZnO纳米棒阵列的生长,为便捷、快速的高通量原位检测提供了新思路。

纳米纤维素嵌合型晶胶微球的多微管成形与模拟

利用多微管反应器,采用结晶致孔与低温聚合方法可实现纳米纤维素嵌合型晶胶微球的规模化制备。该过程中内嵌纳米纤维素的甲基丙烯酸羟乙酯单体溶液经多微管反应器的成形是首要条件,研究其成形过程的动力学特性具有重要意义。利用高速成像和计算流体力学(CFD)模拟方法对不同入口流速(6、8、10 mm·s^(-1))下内嵌不同比例(单体质量的1%、3%、5%)纳米纤维素的甲基丙烯酸羟乙酯液滴形成过程进行可视化研究,考察了纳米纤维素含量对液滴成形、液滴直径分布、颈缩线长度、液滴下落速度等因素的影响规律。结果表明,内嵌纳米纤维素的甲基丙烯酸羟乙酯液滴经多微管反应器的成形及滴落,会经历拉伸与压缩过程,最后稳定为球状,测得液滴直径和颈缩线长度与纤维素浓度呈正相关,纤维素含量的增加使得单体溶液黏度和表面张力系数增加,从而增大液滴尺寸和颈缩线长度,模拟得到的结果与实验基本一致,液滴直径差异为2.1%~6.3%,颈缩线长度差异为7.2%~11.9%;在对液滴成形的放大模拟中,10 mm·s^(-1)的入口流速下液滴平均直径为3.98 mm,平均颈缩线长为4.14 mm。最终,利用多微管反应器成功制备了纳米纤维素嵌合型晶胶微球,微球有效孔隙率可达80%以上,绝干孔隙率接近90%,是生物分离领域与微生物贴壁生长的理想载体。

可重构的图案化液滴网络

近年来,基于磷脂双分子层或胶体粒子稳定的图案化液滴网络得到了广泛研究,并在分区反应和生物应用等方面引起了极大兴趣。然而,现有液滴网络的设计方案受限于复杂的制备过程和液滴尺寸。本研究利用CB[8]表面活性剂在水-油界面的组装与堵塞相变,报道了一种多响应、内部连通且可在宏观尺度制备的图案化液滴网络。其制备过程简单快速,仅需要手动挤压即可构筑具有复杂形状的液滴网络。在此基础上,利用液滴之间的连通性可实现内部物质的传输、混合及化学反应,在微反应器、生物检测等领域具有重要的应用前景。

基于微流体数字化技术的微化学反应器

微流体数字化技术利用压电陶瓷驱动器产生的脉冲惯性力来驱动和扰动微流体,实现了微流体的均匀离散和微喷射,具有数字可控性。由此设计了一种数字化微化学反应器,对不同微管道内的流体利用数字化微喷射,实现试样与试剂微液滴间的混合反应。该微化学反应器由玻璃微管道拉制仪拉制的微管道进行粘接组合而成,内部无可动件,无需复杂的微加工技术,结构简单,制造成本低。进行了氢氧化钠溶液和酚酞溶液的混合反应实验,实验证明该化学反应器可以用于微化学反应。

核反应堆用除雾器过滤效率的数学模型

通过数值模拟方法计算了除雾器对于5～10μm水滴的过滤效率。针对玻璃纤维的结构特点以及除雾器过滤水滴的实际情况,将混合丝网的网孔分为标准型、毛刺型和中间型;对于金属丝和标准型网孔的竖直丝,使用描述绕圆柱体气流流动的桑原(Kuwabara)流场模型,其余情况的网丝,使用描述绕平板气流流动的平板流场模型。通过计算粒子在流场中的运动轨迹,获得整体除雾器对水滴的过滤效率。将数值模拟结果与实验测量结果进行了分析对比,两者的吻合程度在合理的范围之内。

气液喷射反应器内液滴粒径分布PLIF研究

气液喷射反应器是一种高强度反应器,反应器内部液滴粒径大小和分布对反应收率和选择性具有决定性影响。本文建立了气液喷射反应器内液滴粒径分布测量实验装置,并利用面激光诱导荧光(PLIF)技术对气液喷射反应器内液滴粒径分布进行了研究,得到不同气液流率情况下的液滴粒径的分布规律,结果显示:液相流率不变时,随气相流率的增大,反应器内液滴平均粒径逐渐减小,分布范围变小;气相流率不变时,随液相流率的增大,液滴平均粒径逐渐减小,粒径分布趋于集中。

雾状钠火钠滴燃烧比率的模拟及应用

将雾状钠火中钠滴的燃烧分成预燃阶段和燃烧阶段,利用雾状钠火程序计算得到钠滴燃烧比率和时间的关系曲线,分别用幂函数、指数函数和线性函数对曲线进行拟合,拟合效果较好。拟合函数中包含钠滴下落时间和钠滴最大燃烧比率等参数,这些参数可通过钠滴下落燃烧试验或雾状钠火程序计算得到。通过推导得到了雾状钠火燃烧和单个钠滴燃烧的关系,钠滴燃烧比率的拟合函数被用来模拟雾状钠火燃烧的过程,包括用于计算已燃烧的钠质量、空气中未燃烧的钠质量、进入钠池的钠质量和雾状钠火的燃烧速率。当雾状钠火燃烧过程中钠泄漏流量恒定不变时,空气中未燃烧的钠质量和钠泄漏流量呈正比,雾状钠火的燃烧速率和钠泄漏流量呈正比。雾状钠火的燃烧速率和钠火造成的事故工艺间内的温度与压力变化直接相关。雾状钠火的燃烧速率被用来求解钠气溶胶的生成速率、钠燃烧火焰层和空气之间的传热、钠燃烧火焰层和墙壁之间的传热。总之,使用简单的函数模拟钠滴的燃烧比率曲线,将雾状钠火燃烧当成事故工艺间的热源和钠气溶胶源作为输入,便可模拟雾状钠火的整个燃烧过程,计算得到工艺间温度、压力和钠气溶胶浓度的变化。钠滴的燃烧比率曲线、雾状钠火的燃烧速率曲线还可与试验数据进行对比验证后作为雾状钠火模拟的输入,这种模拟方法可用于钠火事故安全分析中雾状钠火的模拟。

数字化微混合反应器的研究

设计了一种数字化微混合反应器,对不同流体通过数字化微喷射生成微液滴,利用液滴间的碰撞和聚合实现试样与试剂间的微混合与反应。该微混合反应器由玻璃微流体器件拉制仪拉制的微管道进行粘接组合而成,内部无可动件,无需复杂的微加工技术,结构简单,制造成本低。进行了氢氧化钠溶液和酚酞溶液的混合反应实验,实验证明该混合反应器可以用于微混合反应。

基于双压电基片油包微液滴微反应器研究

提出了以声表面波为能量源的微反应器。它由两个128°YX-Li NbO3压电基片和弧形聚合物组成,基片A中反应物Ⅰ由其上声表面波驱动经弧形聚合物输运到基片B,并与基片B中的反应物Ⅱ混合,混合反应物在基片B中的声表面波作用下实现反应。实验结果表明,油包封反应物可减少反应物的蒸发速率;声表面波可提高化学反应速率,并随之增大而增大。

HTR蒸汽发生器环形通道内单液滴蒸发行为研究

高温气冷堆进水事故的机理研究对该反应堆安全具有重要意义。本文对液滴在蒸汽发生器环形通道内的流动和传热进行数值模拟研究,采用单液滴模型,利用龙格库塔方法进行求解。结果表明,初始直径小于420μm的液滴将无法运动到环形通道顶部。氦气压力的改变对于液滴完全蒸发需要的时间和液滴最大运动距离影响很小。

提升管进料段油剂间传质传热及混合特性研究

基于催化剂颗粒完全流态化理论,建立了提升管反应器进料段气液两相流数值模型,探究了射流油雾与连续气相间传质传热特性及油剂接触分布状况。实验结果表明,进料喷嘴所在轴向位置处油雾粒径、混合流体温度、油相组分含量沿提升管径向"环-核"不均匀分布程度最大;随轴向位置的增加,油雾气化程度增大,最终实现完全气化,管内温度和油剂间混合分布趋于均匀;适当增大喷雾锥角有助于促进油雾气化和改善"环-核"不均匀分布状况,提高催化裂化反应效率。

粒子网格混合方法模拟液滴夹带起始点

环状流动的特性对反应堆事故工况分析具有重要意义,本研究基于粒子网格混合方法对这一现象中的液滴夹带起始点问题进行了数值分析,利用网格求解流场,利用粒子模拟液膜及液滴的运动,探讨了气水流动大密度比情况下,不同流动方向,不同流体粘度,不同液膜厚度下的液滴夹带所需的临界气相流速,结果同经典关系式进行了对比,吻合良好.这一方法对于反应堆事故中的两相流动研究具有参考意义.

旋流反应器中液滴破碎及变形的研究

对旋流反应器中湍流条件下分散相液滴破碎进行了分析,运用类似于雷诺应力比拟的方法,得到了具体位置的液滴破碎的临界流量条件。并且通过韦伯数与两相相对速度的关系,阐明了具体流量条件下,旋流场中特定区域中的液滴变形乃至完全破碎的情况。

液-液旋流反应器内混合特性CFD-PBM数值模拟

基于离子液体烷基化工艺特点,提出一种液-液旋流反应器,利用旋流反应器的特殊结构实现反应及产物初级分离过程的一体化,提高产量的同时可降低副反应的发生。利用CFD-PBM耦合模型,对无反应条件下旋流反应器反应腔内分散相液滴尺寸分布及两相相接触界面面积进行研究,研究了操作参数(入口总流量、进料比、溢流比)对反应腔内分散相液滴尺寸分布和相接触界面面积的影响。结果表明,入口总流量的增加导致分散相液滴所受剪切力增大,增大了分散相液滴破碎概率,相接触界面面积随之增大。此外,进料比主要影响分散相液滴之间的接触及聚并概率,而溢流比的影响则主要体现在反应腔内有效混合区域的大小上。

液滴式微流控芯片制备沸石咪唑骨架材料

沸石咪唑骨架材料(zeolitic imidazolate frameworks, ZIFs)因其大比表面积、规则孔道结构、骨架可调控、水热稳定性等特点,在吸附、分离和催化领域具有广阔的应用前景.本工作基于模板法设计和制备双"T"型连续液滴式微流控芯片,通过多相持续进料,稳定快速合成单斜晶C2/cZIF-7(方纳石结构),ZIF-8和Co-ZIF-8等材料,从而减少产物的差异性.微流控芯片连续制备得到的ZIFs具有非常高的结晶度和均一性.此外,通过调节起始反应物浓度和停留时间,实现了ZIFs产物粒径和形貌的调控.微流控芯片提供了一种简易可控快速宏量制备ZIFs材料的新方法.

分而治之——微液滴中的核酸分析化学研究

微液滴本身并不是一个全新的概念或者新现象,但随着近年来基于微液滴中的反应来进行生命分析化学研究,并推广至生命科学与医学的应用中,却成为了一个新趋势.微液滴生命分析化学领域的重点研究方向有两个:适合于生物分子高精度定量检测的液滴生成方式;利用均匀微液滴进行超越以往表现的分子检测,特别是与核酸分析结合的应用.本文中,我们结合该领域的发展趋势与本课题组自身的研究经历,梳理了微液滴生命分析化学的关键技术发展和应用,最后从自身研究经历出发提出该领域当今的一些挑战,以期能够引发同行的思考,开拓研究思路.