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静态微混合器工作原理

2021-07-20 13:37:47

静态混合器由一系列安装在空心管道中的混合单元构成,依靠单元的特殊结构和流体运动,使进入混合器的流体各自分散,彼此混合。静态混合器的工作原理,是流体在管线中流动冲击各种类型板元件,增加流体层流运动的速度梯度或形成湍流,层流时是“分割-位置移动-重新汇合”,湍流时,流体除上述三种情况外,还会在断面方向产生剧烈的涡流,有很强的剪切力作用于流体,使流体进一步分割混合。同时,由于混合单元的作用,使流体时而左旋,时而右转旋,不断改变流动混合方向,不仅将中心流体推向周边,而且将周边流体推向中心,从而造成良好的径向混合效果,流体自身的旋转作用在相邻组件连接处的接口上亦会发生,这种完善的径向环流混合作用,使物料*终获得混合均匀的目的。之所以称之为“静态”混合器,是指管道内没有运动部件,只有静止元件。

微混合器具有很高的效率,可在数秒至数十秒时间内完成分离、测定或者其他更复杂的操作。分析速度常高于相应的宏观操作一至二个数量级。进行微混合分析的试样与试剂消耗能降低至微升水平,既降低了分析费用和贵重试剂的消耗,也减少了环境污染。微小尺度使设备制作材料消耗量减小,而当实现工业化后,制作成本有望进一步降低,有利于为混合器的发展,实现样品的快速混合,能够通过减少混合路径和增加混合组分的接触面积来实现。

在层流中,混合只能通过分子扩散进行。自然地,增加液体之间混合的一种方法是增强样品之间的扩散效应。为此,样品可以流过微流控芯片中包含的各种孔,或者样品可以在多个较小的通道之间分离。

另一种方法是增加混合试剂之间的接触面积以及接触时间。这两个概念属于所谓的“被动”微流体混合,因为在混合过程中不涉及活性元素。在这种情况下,通道几何形状的设计方式能够增加混合过程中涉及的试剂之间的接触面积和/或接触时间,混合时间可能会从几十毫秒到几百毫秒不等。

在微化工系统里,由于通道特征尺度在微米级,数值远小于2000,流动多呈层流,因此微流体混合过程主要基于层流混合机制,在微混合器中引入二次流,使流动截面上不同流线之间产生相对运动,引起流体微元变形、拉伸继而折叠,增大待混合流体间的界面面积、减少流层厚度。延伸流动是由于流动通道几何形状的改变或者由于流动被加速,产生延伸效应,使得层流厚度进一步减小,改进混合质量,分子水平均匀混合的必经之路。常规尺度混合器中,只有当剪切、延伸和分布混合使流层厚度降至足够低的水平时,分子水平的混合才有意义。分布混合在微混合器内集成静态混合原件,通过流体的分割—重排—再结合效应,减小流层厚度,并增大流体间的界面。


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