楊哲，郗大來(lái)，李寧，周軍

（1 西安優(yōu)耐特容器制造有限公司，陜西西安710201；2 西安建筑科技大學(xué)化學(xué)與化工學(xué)院，陜西西安710055）

微化工反應(yīng)技術(shù)基于改變流體傳熱、傳質(zhì)及流動(dòng)特性等實(shí)現(xiàn)化工過(guò)程強(qiáng)化高效、節(jié)能、安全、可控和清潔生產(chǎn)，它的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用對(duì)整個(gè)化學(xué)化工領(lǐng)域意義重大[1]。作為微化工系統(tǒng)中尤為重要的組成部分，微反應(yīng)器內(nèi)部通道特征尺度的微型化使其展現(xiàn)出傳統(tǒng)反應(yīng)器所不具備的流體混合高效、熱質(zhì)傳遞速率快、安全性高、能耗低、產(chǎn)物選擇性和收率高等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)[2?4]，從而被廣泛應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室分離制備及過(guò)程工業(yè)中[5?7]。然而現(xiàn)階段微反應(yīng)器理論基礎(chǔ)研究還很不充分，特別是對(duì)微通道內(nèi)多相混合的基本規(guī)律需要進(jìn)行更深入的探索與研究[8?9]。近年來(lái)， 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics, CFD）技術(shù)與實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)手段相結(jié)合逐漸發(fā)展成為一種重要的研究微尺度下流體高效混合、換熱、反應(yīng)的方法之一[10?12]。Ferrari 等[13]采用體積分?jǐn)?shù)法模型模擬了五氟丙烷在微通道中柱塞流演化情況，相同雷諾數(shù)下方形通道比圓形通道具有更薄的液膜厚度，且曲率半徑的不同導(dǎo)致方形通道四角處液膜厚度更大，壁面非頂角處燒干概率更大。Ahmed 等[14?15]的管式微通道湍流促進(jìn)器CFD 模擬結(jié)果表明，湍流促進(jìn)器可加強(qiáng)湍流動(dòng)能，增強(qiáng)壁面剪切力，從而達(dá)到降低膜污染及濃差極化的目的。Liu 等[16]從特征混合時(shí)間和各組分分布兩方面分析了撞擊流反應(yīng)器中湍流流動(dòng)對(duì)氯乙酸乙酯平行競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)過(guò)程的影響機(jī)制。Gavi 等[17]又在Liu 等的研究基礎(chǔ)上得出最佳的數(shù)值模擬方法為標(biāo)準(zhǔn)κ?ε模型結(jié)合近壁面處理法（enhanced wall treatment, EWT），呈現(xiàn)了射流反應(yīng)器內(nèi)湍流流動(dòng)的基本形態(tài)，為研究微反應(yīng)器的放大效應(yīng)提供了指導(dǎo)。Wibel 等[18]通過(guò)實(shí)驗(yàn)和CFD 模擬兩種方法研究了多通道微反應(yīng)器內(nèi)的氣相流動(dòng)特性和停留時(shí)間分布，并比較了用幾種模型來(lái)計(jì)算停留時(shí)間分布的差異，結(jié)果表明使用耗散模型能更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)停留時(shí)間分布。

本文采用Ansys Fluent軟件研究了U形直線形、傘形微通道結(jié)構(gòu)對(duì)通道內(nèi)部速度分布、壓力分布、濃度分布等的影響，并優(yōu)化設(shè)計(jì)提出一種壓降更小、混合效率較優(yōu)的菱形微通道結(jié)構(gòu)，同時(shí)，利用3種不同微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器及常規(guī)反應(yīng)器開(kāi)展丙烯酸十四酯的合成對(duì)比評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)，借用數(shù)值模擬輔助以實(shí)驗(yàn)評(píng)價(jià)的方法為研究微尺度內(nèi)的傳遞與反應(yīng)間的協(xié)調(diào)控制機(jī)制提供一定的技術(shù)借鑒與指導(dǎo)。

1 數(shù)值模擬方法

1.1 物理模型

一種較為典型的微反應(yīng)器采用反應(yīng)模塊和換熱模塊交替布置或者中間為原料反應(yīng)層，上下被2 個(gè)熱交換層包裹的“漢堡包”結(jié)構(gòu)。反應(yīng)通道內(nèi)部溫度場(chǎng)通過(guò)換熱介質(zhì)的加熱或冷卻來(lái)控制，根據(jù)通道外壁溫度傳感器反饋出的信號(hào)調(diào)節(jié)換熱介質(zhì)的流速和溫度，以達(dá)到調(diào)控反應(yīng)溫度的目的?；谏鲜鲅芯?，項(xiàng)目組設(shè)計(jì)加工出一套微反應(yīng)器，具體結(jié)構(gòu)如圖1 所示，由Solidworks 創(chuàng)建的三維圖如圖2 所示，該結(jié)構(gòu)主要包括中間微通道反應(yīng)模塊及上下熱交換模塊，微通道部件與加熱部件之間設(shè)置有墊片，整個(gè)結(jié)構(gòu)用螺栓連接起來(lái)。微通道反應(yīng)模塊采用兩塊鈦制單片擴(kuò)散焊連接組成以適應(yīng)某些反應(yīng)介質(zhì)的腐蝕性，鈦單片厚度2mm，共設(shè)有兩個(gè)進(jìn)料口、一個(gè)出料口、一個(gè)測(cè)溫口，通道當(dāng)量直徑為1mm，通道雕銑深度為0.5mm。上下不銹鋼加熱片通過(guò)管道連接形成熱流體閉合循環(huán)回路，從而形成均勻穩(wěn)定的加熱場(chǎng)，提高反應(yīng)溫度控制的精確性。

圖1 微反應(yīng)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖2 微反應(yīng)器三維模型

1.2 計(jì)算模型及邊界條件的確定

由于本模擬是對(duì)微尺度下流體特性的研究，微通道內(nèi)的流動(dòng)又被認(rèn)為是非穩(wěn)態(tài)、定常的、不可壓縮、黏性和湍流狀態(tài)，不考慮重力以外的體積力項(xiàng)，根據(jù)模型圖1及圖2所示。微反應(yīng)器可以簡(jiǎn)化為一個(gè)二維的算例，基于連續(xù)介質(zhì)假定和Navier?Stokes方程建立質(zhì)量守恒方程、動(dòng)量守恒方程和能量守恒方程分別如式(1)～式(3)所示。

Mixture多相流模型適用于液液非均相甲苯?水混合體系流場(chǎng)的數(shù)值模擬，湍流模型采用在含有射流和混合流的自由流動(dòng)、管道內(nèi)流動(dòng)、邊界層流動(dòng)中更具優(yōu)勢(shì)的Realizable κ?ε 模型[19?24]，壓力?速度耦合采用Simple算法，各變量的空間離散化采用精度較高的二階迎風(fēng)格式，收斂殘差設(shè)為10?4。邊界條件設(shè)置為入口（inlet）物相體積分?jǐn)?shù)0.6%甲苯和0.4%水，壓力出口設(shè)置為自由出口（outflow），流體屬性為液體（fluid），其他未設(shè)置的面默認(rèn)為固壁無(wú)滑移光滑界面。

1.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)表1所示流體計(jì)算域用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，忽略微通道流場(chǎng)在Z軸厚度方向上的差異，采用二維平面模擬，由于流體接觸壁面多為不規(guī)則結(jié)構(gòu)，網(wǎng)格類(lèi)型選用Quad Dominant，網(wǎng)格生成方式為Patch Dependent。選取t=4min 時(shí)3種微結(jié)構(gòu)中料液的出口溫度做網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，結(jié)果見(jiàn)表1，可以發(fā)現(xiàn)當(dāng)U形直線形微通道結(jié)構(gòu)、傘形微通道結(jié)構(gòu)及菱形微通道結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格數(shù)分別大于7.25×104、6.45×104及8.75×104時(shí)，料液出口溫度偏差基本在1%以內(nèi)，從節(jié)約模擬計(jì)算時(shí)間的角度考慮，可以選用上述3種微結(jié)構(gòu)所對(duì)應(yīng)的不同網(wǎng)格數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬。

表1 流體計(jì)算域網(wǎng)格劃分及網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

2 模擬結(jié)果及分析

本次模擬結(jié)果后處理主要包括輸出速度分布、壓力分布和濃度分布，用以分析設(shè)計(jì)的微通道結(jié)構(gòu)的合理性并提出優(yōu)化方向。U 形直線形微通道結(jié)構(gòu)、傘形微通道結(jié)構(gòu)及菱形微通道結(jié)構(gòu)中的參考流體均在同一入口流量、物相分?jǐn)?shù)和入口壓力條件下，且通過(guò)三維軟件輔助設(shè)計(jì)使3種微結(jié)構(gòu)的有效流程長(zhǎng)度相等。

2.1 速度分布

圖3反映了直形和傘形兩種微通道結(jié)構(gòu)相同輸入條件下的流場(chǎng)速度分布情況。相比于直形通道，傘形通道由于其交流錯(cuò)雜的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部不可避免的會(huì)出現(xiàn)流動(dòng)死區(qū)、旋渦流、原料返混等不利于傳質(zhì)的現(xiàn)象，兩種微通道結(jié)構(gòu)在局部由于流道寬度突降，速度均會(huì)出現(xiàn)激增，但傘形微通道結(jié)構(gòu)內(nèi)部擋板、擾流結(jié)構(gòu)易出現(xiàn)低速滯留區(qū)，使得直形通道的流體流速大于傘形通道，理論分析與圖3所反映出的V直＞V傘是一致的。

2.2 壓力分布

圖4反映了直形和傘形兩種微通道結(jié)構(gòu)在相同輸入條件下的流場(chǎng)壓力分布情況，流體從入口向出口流動(dòng)是由壓力梯度和外部動(dòng)力聯(lián)合驅(qū)動(dòng)的，微通道入口處的壓力最大，并沿著流體的流動(dòng)方向壓力逐漸減小，通過(guò)監(jiān)測(cè)直形通道和傘形通道進(jìn)出口壓力，壓降分別為ΔP直=490MPa，ΔP傘=4.65MPa。模擬結(jié)果表明：相比與直形通道，傘形通道的壓降較小。由流動(dòng)壓降的計(jì)算方程式(4)[25]可知，微反應(yīng)器內(nèi)壓降隨速度的變化呈非線性變化，即速度越大，壓降升高越快，反之亦然。結(jié)合圖3兩者的速度場(chǎng)分析可知：V直＞V傘，故直形微通道壓力損失最大，傘型較小，理論分析結(jié)果與模擬結(jié)果一致。

圖3 流場(chǎng)速度分布

圖4 流場(chǎng)壓力分布

2.3 濃度分布

圖5反映了直形和傘形兩種微通道結(jié)構(gòu)相同輸入條件下的流場(chǎng)濃度分布情況，針對(duì)于液?液非均相反應(yīng)，傘形微通道結(jié)構(gòu)局部?jī)上嗔黧w分子間的擴(kuò)散距離極短，特殊“擋板”結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的混沌流可以增加流體的湍流擾動(dòng)程度，更加快速高效地實(shí)現(xiàn)兩相流體的混合，實(shí)現(xiàn)濃度分布的均一、穩(wěn)定。

2.4 優(yōu)化方向

（1）從圖3流場(chǎng)速度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，傘形微通道結(jié)構(gòu)局部存在速度死區(qū)（沒(méi)有流線分布），影響混合的效果，這與傘形結(jié)構(gòu)的圓弧曲率有關(guān)。在微通道設(shè)計(jì)過(guò)程中，要盡量避免局部凸起，促進(jìn)混合。

（2）從圖4的流場(chǎng)壓力分布圖可以發(fā)現(xiàn)，存在合適的壓力梯度可促進(jìn)反應(yīng)流體平緩地從入口流向出口。

（3）從圖5 的流場(chǎng)濃度分布圖可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)速度大于混合速度時(shí)，混合速度的大小是制約整個(gè)反應(yīng)系統(tǒng)速度的重要因素。系統(tǒng)的布置應(yīng)以增強(qiáng)混合效率為目標(biāo)，對(duì)于液?液非均相、氣?液非均相等存在相界面反應(yīng)過(guò)程，傘形微通道結(jié)構(gòu)、蛇形微通道結(jié)構(gòu)等都可以實(shí)現(xiàn)較好的混合效果，而對(duì)液?液均相反應(yīng)體系更傾向于選擇直線形、T 形、Y 形等結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的微通道結(jié)構(gòu)形式。

2.5 菱形微通道結(jié)構(gòu)

針對(duì)前述微通道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬的研究，結(jié)合微通道結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案，提出了一種菱形微通道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)Ansys Fluent軟件進(jìn)行數(shù)值模擬?？刂品匠毯瓦吔鐥l件設(shè)置與前述相同，輸出菱形微通道結(jié)構(gòu)流場(chǎng)速度分布圖[圖6(a)]、壓力分布圖[圖6(b)]及濃度分布圖[圖6(c)]，用以分析評(píng)價(jià)該微通道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)合理性。

優(yōu)化后的菱形和傘形微通道結(jié)構(gòu)的流場(chǎng)壓力分布類(lèi)似，均是從入口到出口逐漸降低。由圖6菱形微通道結(jié)構(gòu)壓力分布圖可知，菱形通道壓降僅為0.02MPa，壓力降明顯減小，同時(shí)圖6(a)反映出流體流速較低，相比于傘形微結(jié)構(gòu)，改進(jìn)優(yōu)化后的菱形微通道結(jié)構(gòu)能耗更小，內(nèi)部擾動(dòng)同樣可以使物料進(jìn)行充分地混合與反應(yīng)，這與圖6(c)反映出的菱形微通道結(jié)構(gòu)中濃度場(chǎng)趨于一致、速度較慢、速度不發(fā)生突變、流動(dòng)死區(qū)的范圍更小、混合效率更高的現(xiàn)象一致。

3 丙烯酸十四酯的合成評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)

丙烯酸十四酯是一種優(yōu)良的改善高凝原油流動(dòng)性的功能性單體，常規(guī)間歇式直接酯化法合成工藝存在收率低、停留時(shí)間長(zhǎng)、后處理繁瑣等問(wèn)題，嘗試以微反應(yīng)器合成丙烯酸十四酯并對(duì)上述3種微結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬結(jié)果做以評(píng)價(jià)，以期能夠提供一種有效的實(shí)驗(yàn)手段。

3.1 試劑與儀器

采用U形直線形、傘形、菱形這3種不同微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器及常規(guī)反應(yīng)器合成丙烯酸十四酯的實(shí)驗(yàn)裝置分別采用圖7 及文獻(xiàn)[26]述錄的裝置，圖7微反應(yīng)系統(tǒng)包括Ⅰ?進(jìn)料系統(tǒng)、Ⅱ?微反應(yīng)系統(tǒng)、Ⅲ?加熱系統(tǒng)。所用原料為十四醇和丙烯酸，阻聚劑對(duì)苯二酚，催化劑對(duì)甲苯磺酸，固態(tài)十四醇的溶劑及攜水劑甲苯，產(chǎn)物中和劑碳酸鈉。以上試劑均為分析純，購(gòu)于上海國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。溶液輸送泵，SP0530 型，由上海三為科學(xué)儀器有限公司制造，用于精確穩(wěn)定進(jìn)料。循環(huán)加熱器，GX?2005 型，由上海汗諾儀器有限公司制造，用于提供反應(yīng)體系所需熱量。

Nicolet460 型傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR，美國(guó)Perkin Elmer公司，波數(shù)范圍11000～400cm?1，最高分辨率0.4cm?1）；Pulsar 型臺(tái)式核磁共振波譜儀（NMR，北京歐倍爾科學(xué)儀器有限公司，產(chǎn)物成分、結(jié)構(gòu)的定性分析），分別進(jìn)行核磁氫譜（1H NMR）及核磁碳譜（13C NMR）的測(cè)試。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3種不同微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)系統(tǒng)根據(jù)實(shí)驗(yàn)條件分別連接各管路和測(cè)試儀表后，開(kāi)啟進(jìn)料微泵及循環(huán)加熱器，在相同醇酸摩爾比、反應(yīng)溫度、進(jìn)料流量、催化劑及阻聚劑添加量等工藝條件下反應(yīng)得到反應(yīng)產(chǎn)物。常規(guī)反應(yīng)器合成過(guò)程保持與微反應(yīng)合成過(guò)程中相同的醇酸摩爾比、反應(yīng)溫度、催化劑及阻聚劑添加量等工藝條件，丙烯酸十四酯的制備過(guò)程及精制見(jiàn)文獻(xiàn)[26]，反應(yīng)方程式如式(5)所示。

3.3 產(chǎn)物分析

對(duì)提純的酯化產(chǎn)物丙烯酸十四酯進(jìn)行FTIR、1H NMR 及13C NMR 分析，檢測(cè)結(jié)果分別如圖8、圖9及圖10所示。峰，由兩者可以推斷酯基的存在；1634cm?1屬于C==C 的特征吸收峰；985cm?1和800cm?1分別屬于—CH==及CH2==碳碳雙鍵上烯烴的面外搖擺振動(dòng)吸收峰；2920cm?1左右屬于CH2==CH—COOR 的烯烴—CH==伸縮振動(dòng)吸收峰。此外，725cm?1附近出現(xiàn)了—(CH2)n—鏈節(jié)（n≥4）的搖擺振動(dòng)吸收峰，這些特征結(jié)構(gòu)與文獻(xiàn)[27]報(bào)道的丙烯酸十四酯的FTIR譜圖基本吻合，這表明丙烯酸與十四醇可能發(fā)生了酯化反應(yīng)，生成了丙烯酸十四酯。

圖5 流場(chǎng)濃度分布

圖6 菱形微通道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬

圖7 微反應(yīng)系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

圖8 丙烯酸十四酯的FTIR譜圖

圖9 丙烯酸十四酯的1H NMR譜圖

圖10 丙烯酸十四酯的13C NMR譜圖

丙烯酸十四酯有7 類(lèi)化學(xué)環(huán)境不同的質(zhì)子，其1H NMR質(zhì)子解析結(jié)果如式(6)所示，特征化學(xué)位移見(jiàn)圖9。碳碳雙鍵左端的兩個(gè)質(zhì)子（Ha、Hb）在丙烯酸十四酯中受酯基的影響不同，Ha的化學(xué)位移為6.3，Hb的化學(xué)位移為5.8，Hc受碳碳雙鍵和酯基的耦合作用其化學(xué)位移出現(xiàn)在6.1 處，Hd、He由于離酯基較近，受到的耦合作用較大，引起化學(xué)位移向左移動(dòng)，Hd受到的作用大，化學(xué)位移較大。因此，Hd的化學(xué)位移為4.13，He的化學(xué)位移為1.67，Hf由于距離較遠(yuǎn)，酯基對(duì)它的影響可以忽略，Hf的化學(xué)位移為1.23，0.87的化學(xué)位移是甲基上的3 個(gè)Hg，這與文獻(xiàn)[27]報(bào)道的丙烯酸十四酯的1H NMR 譜圖基本吻合，由此推斷合成產(chǎn)物可能為丙烯酸十四酯。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)核磁共振碳譜圖[28]，圖10 中化學(xué)位移δ 為166.34 處的信號(hào)峰歸屬于羰基碳的化學(xué)位移，δ 為130.40 處的信號(hào)峰歸屬于碳碳雙鍵上含1 個(gè)氫的碳的化學(xué)位移，δ 為128.64 的信號(hào)峰歸屬于碳碳雙鍵上含2 個(gè)氫的碳的化學(xué)位移，δ 為76.59 和64.71 的信號(hào)峰則分別歸屬于與酯基上單鍵氧原子次序相連的碳的化學(xué)位移，由于與氧原子的距離不同受氧原子核電子云密度影響表現(xiàn)出強(qiáng)弱不等的峰；δ 為29.24 附近的信號(hào)峰歸屬于—(CH2)n—鏈的碳的化學(xué)位移；δ為14.1歸屬于甲基碳的化學(xué)位移，證明丙烯酸十四酯的生成。

以酯化率為指標(biāo)衡量合成反應(yīng)效率，反應(yīng)過(guò)程中保持丙烯酸過(guò)量，即認(rèn)為十四醇已全部參加反應(yīng)，則酯化率計(jì)算如式(7)所示，不同反應(yīng)條件下酯化率如表2及表3所示。

表2反映出常規(guī)反應(yīng)器與微反應(yīng)器在相似工藝條件下，常規(guī)反應(yīng)器中丙烯酸十四酯的收率僅為82%，停留時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)300min，而微反應(yīng)器中收率均達(dá)到90%以上，停留時(shí)間不超過(guò)3.5min。同時(shí)，原料液于同一進(jìn)料量下在不同微通道結(jié)構(gòu)中的停留時(shí)間不同，并且菱形微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器比U形直線形和傘形微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器所得丙烯酸十四酯收率都大，達(dá)到97%，表明菱形微通道結(jié)構(gòu)更加有利于物料間的充分混合反應(yīng)，這與圖6菱形微通道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬顯示的結(jié)果是一致的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。同時(shí)對(duì)入口流量和壓力、物相分?jǐn)?shù)相同、相同壓降處所得產(chǎn)物的收率及物料停留時(shí)間作實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果見(jiàn)表3，可以發(fā)現(xiàn)以菱形微結(jié)構(gòu)全流程的ΔP=0.02MPa 作為參考基準(zhǔn)，由于直形和傘形微通道結(jié)構(gòu)內(nèi)壓降較大，所以相同壓降處料液停留時(shí)間很短，還未能完全混合反應(yīng)便排出反應(yīng)體系，致使反應(yīng)產(chǎn)物收率很低，理論分析也與表3反映出的直形和傘形微通道中物料反應(yīng)所得產(chǎn)物收率低、物料停留時(shí)間短的論斷一致。

表2 不同反應(yīng)設(shè)備所得產(chǎn)物收率

表3 不同微結(jié)構(gòu)相同壓降處所得產(chǎn)物

4 結(jié)論

（1）數(shù)值模擬結(jié)果顯示傘形微通道結(jié)構(gòu)比U形直線形微通道結(jié)構(gòu)具備更加高效的混合效率，但該結(jié)構(gòu)也存在流動(dòng)死區(qū)，結(jié)合優(yōu)化方向提出一種壓降更小、混合效率較優(yōu)更適用于液?液非均相反應(yīng)的菱形微通道結(jié)構(gòu)。

（2）利用3種不同微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器及常規(guī)反應(yīng)器開(kāi)展丙烯酸十四酯的合成評(píng)價(jià)對(duì)比實(shí)驗(yàn)，F(xiàn)TIR 及NMR 對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的分析表征均證明了丙烯酸十四酯的生成。常規(guī)反應(yīng)器在與微反應(yīng)器相似的工藝條件下，丙烯酸十四酯的收率僅為82%，停留時(shí)間更是長(zhǎng)達(dá)300min。而微反應(yīng)器中收率均達(dá)到90%以上，停留時(shí)間不超過(guò)3.5min；且菱形微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器比多級(jí)U形直線形和傘形微通道結(jié)構(gòu)反應(yīng)器所得丙烯酸十四酯的收率都大，達(dá)到97%，說(shuō)明菱形微通道結(jié)構(gòu)更加有利于物料間的充分混合反應(yīng)，這與菱形微通道結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬顯示的結(jié)果是一致的，驗(yàn)證了數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性。

（3）實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬的結(jié)果均說(shuō)明了微結(jié)構(gòu)形式與化學(xué)反應(yīng)類(lèi)型之間存在緊密聯(lián)系，對(duì)于液?液非均相、氣?液非均相等存在相界面反應(yīng)過(guò)程，傘形微通道結(jié)構(gòu)、蛇形微通道結(jié)構(gòu)等都可以實(shí)現(xiàn)較好的混合效果，而對(duì)液?液均相反應(yīng)體系更傾向于選擇直線形、T 形、Y 形等結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單的微通道結(jié)構(gòu)形式，對(duì)指導(dǎo)微化工生產(chǎn)具有重要的意義。

（4）鈦材是一種耐蝕性能良好、質(zhì)輕、生物相容性優(yōu)異且較易于加工的稀有金屬材料，而其納米級(jí)氧化物二氧化鈦又是一種適用于光催化降解的高效催化劑，后期利用鈦材表面陽(yáng)極化、微弧氧化法等技術(shù)來(lái)壁載催化劑開(kāi)發(fā)適用于光催化降解、氣?液反應(yīng)、甚于液?固、氣?固反應(yīng)來(lái)解決水處理、常規(guī)過(guò)程難以達(dá)到的化學(xué)反應(yīng)的微反應(yīng)器是一種有益的嘗試。

符號(hào)說(shuō)明

e——流體內(nèi)能，W·m3/kg

i，j——啞指標(biāo)

k——阻力因數(shù)

M1，M2——分別為十四醇、丙烯酸十四酯的摩爾質(zhì)量，g/mol

m1，m2——分別為十四醇、丙烯酸十四酯的質(zhì)量，g

ΔP，ΔPf，ΔPel，

ΔPa，ΔPc——分別為流動(dòng)壓降、沿程摩擦壓降、重力壓降、加速壓降、局部形阻壓降，Pa

p——流體壓力（靜壓），Pa

q——流體單位質(zhì)量的體積加熱率，W·m3/kg

u,v——流體在不同方向上的速度分量，m/s

x，y——求導(dǎo)沿著x軸和y軸方向

xx，yy，xy——沿著x軸、y軸、xy平面內(nèi)的切應(yīng)力，N

Y——酯化收率，%

ρ——流體密度，kg/m3

τ——流體黏性應(yīng)力張量，N

σ——流體表面應(yīng)力張量，N