科学实验温度和流体.docx

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科学实验温度和流体

实验热和流体科学

定量动力学和双相溢焓测量采用红外热化学反应

文章信息

文章历史：

2014年5月16日接收

修订后的形式2014年10月27日接收

2014年11月1日接收

关键词：

化学反应;毫流控；热传递；热量测定；两相流动；流体力学

摘要:

本文的目的是提出一个著名的红外测温技术实验来研究化学反应在两相的毫流控液滴流。

通过一个简单的热评价,它可以描述动力学和放热化学反应的焓。

这个工作的创意在于两个通用技术和热评估基于均质瘦身近似执行量热估计。

这个新奇的量热器要求热校准来估计热量损失。

因此，一个相关方法用于热源（Ø）和特征系数的同时估计由于对流热传递的效果（高）。

这种方法适用于以不同的流动速率的比率进行酸-碱化学反应。

反应焓估计与文献值进行比较的误差小于2％。

另外，对于该反应的混合动力学估计的过程由时间积分热流揭示。

最后，一种非接触式的热量热计基于毫流控和红外热成像被开发。

所建议的方法被证明是方便的和强大的工具，对于在一个液滴流执行化学反应的表征。

1.介绍

微型和毫流控液滴的系统被认为是高通量筛选平台。

在化学领域中，反应性液滴流平台目前正在用用于多种任务，包括分析，过程强化的一个工具，和数据采集[1]。

因此，红外热成像（IRT）是可以跨多个域和尺度从宏观应用到小型化的系统的特性，如电子设备或生物和化学系统被应用于一种多用途的技术。

事实上，对于一个非侵入工具的小规模的化学反应的在线监测的发展，主要动机是从柔性和原始的技术相结合中获益。

具体地说，定量IRT研究提供测量重要的实验参数，如对流热转移[2]和温度分布的可能性。

后者可以是一定的实验性研究中最重要的参数之一，例如，化学反应动力学和热力学表征。

然而，许多化学或物理过程与热现象有关的共同特点是使用量热法，这是用来通过测量热通量，得到的热力学和动力学数据。

在这种情况下，热通量的演变是可重复的和成正比的反应转化率。

在这些方法中，有些在原位量热应用已经开发了用于既小型化又基于流的系统。

尽管他们的潜力，大多数这些技术都是侵入性，难以采用，并已仅在单相测试流动。

因此，它们不适合用作挠性在线分析工具。

鉴于这些限制，这项工作的目的是专门为微滴流开发一个简单的热评估设备。

通过连续的步骤中，估计所述化学反应（热源）发生液滴内的耗散能（焓）进行。

2.实验装置和材料

所述毫流控等环境芯片，系统化如图1，批量使用一块黄铜为流量设置温度控制，小型商业聚四氟乙烯管和路口（由Jasco）制作。

主油管的典型尺寸是3.17毫米（OD）和1.6毫米（ID），而用于供给反应物的管的外径和内径分别具有500μm和250μm。

表1实验液滴油流量比率

R=Q0/QD

油流Q0,（mLh-1）

液滴流QD,（mLh-1）

0.5

3.33

6.66

2

6.67

3.33

4

8

2

8

8.89

1.11

10

9.09

0.91

这种设计允许掌握初始和边界条件。

铜体积热由珀尔帖模块从-5到90℃的精确控制冷却或加热管。

外部的边界条件管道的直径是等环境（即，所施加的温度）。

其结果是，该管（反应介质）内的温度的测量得到的传热系数是在黄铜散装的施加温度和管内径之间。

图1A展示出了等环境的剖面图系统，从中可以看出的是，管的3/4是与所述黄铜板所接触的。

此外，在膏管和铜管板之间增加散热片，以确保传热充当热导,这种方法也是先前所采用的。

在反应器（管）内，该双相流内使用NEMESYS高精度注射泵（Cetoni），它适用于微卷的高精度输送。

通过注入氟化IKV油（连续相，32厘沲的粘度，在25℃）和反应生成的液滴相在不同的流速比。

通过注入氟化IKV油（连续相，32厘沲的粘度，在25℃）和反应生成的液滴相在不同的流速比。

根据这样的结构，流体动力参数，如总流量（即，液滴速度），液滴尺寸，和石油和液滴的体积分数均受控制[4]。

在这项研究中，盐酸（HCl，SigmaAldrich公司）和氢氧化钠基之间的化学反应（氢氧化钠，SigmaAldrich公司）的混合物在总流量QT=10mlh-1中进行。

两种试剂加入到该液滴在C0=0.5M的相同的初始浓度的液滴的总流量等于两种试剂的总和流量：

QD=Qacid+Qbase。

油流（QO）在不同的流动速率的比率（R=QO/QD）下进行了实验，该总结在表1中。

红外FLIR照相机（型号SC7000）用于温度场测量。

相机检测含有76800个别锑化铟探测器，具有最佳检测波长介于2.5和5.2流明，并且具有30流明的间距。

一个中波F/2物镜25毫米的焦距被用于这项研究。

由传感器的每个像素中测量的温度的空间分辨率是大约250流明，并且可用于高达1千赫兹的扫描频率。

图1（A）等环境系统的示意图（B）一种黄铜片和聚四氟乙烯管组成毫流控液滴为基础的系统

3.该方法的原理

在液滴内进行化学反应，每一个都可以被认为是一个孤立的化学反应器，并且双相流是用红外线热测量进行分析。

图2，不同的温度场报告，以证明该温度的空间变化是周期性的。

此外，在温度测量中的任意数字水平（DL）的单元。

图2显示出了热现象可以根据不同的命令管理，如由等式

（1）。

红外生的温度分布（T（Z，ti））的图中所示的观察。

图2A表明，该信号是由一个连续的贡献（

，图2B）和一个波动贡献（

（Z，ti），图2C）：

T（Z，ti）=

（z）+

（Z，ti）

（1）

保证连续的贡献（CC）系统化在图2b代表近90%的信号是很重要的。

而变动成分突出于图中所示的双相流存在于图2C中，它代表了温度分布低于10％，在一个时刻i.液滴的毕数目是小于1，因此温度均匀性在r方向允许我们忽略沿着这个方向的热传递。

此外，要注意的是液滴内的速度场显示出的再循环的证据是很重要的，而油相内的速度场指示的是塞流（或活塞流）[5]。

因此，再循环液滴内能提高温度均匀性。

最后，结合所有这些假设超薄的机身媒体模型可以用于近似在这样毫流控和等环境系统的全球热传递。

更精确地说，在这种近似只相当于均匀介质和黄铜本体之间壁层的热交换得到考虑。

该模型被表示如下：

其中，Ø（t）表示热源（单位：

W），R是流量比（无量纲），hp是顶叶换热系数管和等环境之间的边界（单位Wm-2-K-1）,S是热交换面（S=

dLT,单位：

m2），

是连续贡献或平均温度曲线（K），Tp是等环境施加的芯片温度（单位：

K）,并且（

CPV）*限定液滴（D）组成的等效均匀介质和油相（O），分别为（单位：

JK-1）。

DL的温度单位和度开尔文之间的关系是众所周知。

因此，方程

（2）可以如下重写：

这里

在估计所述热源Ø（即，化学反应的焓）中，H和W的系数进行了实验估算。

这次估计需要的校准程序，从实验数据执行一个精确的和定量评估是必要的。

h系数代表的特性时间（s-1）和W系数对应于壁层的热损失的倒数由于黄铜本体施加的等环境条件（WK-1）。

图2在不同的顺序的热现象。

左边:

（A）IRT图像显示期间的化学反应，在t时刻的液滴流温度场。

（B）IRT平均温度场的图像在N个周期。

（C）变动成分的IRT温度场。

右边：

（A）在时间t的温度分布沿该通道t（T（z，ti））。

（B）沿通道的温度分布。

在温度场平均N个周期。

（C）沿着通道T（z，ti）波动曲线。

这个信号也等于信号B从信号A中减去。

注意，DL和度（K）的温度单位之间的关系是公知的。

4.结果与讨论

在W表示系数壁层的热损失由于黄铜本体施加的等环境条件。

这个最后的校准允许我们链接在其表面测得的温度的管内耗散的热源。

一根导电锡丝被引入该测量管通道内。

温度测定在任意的DL单元，并且校准后能够与释放的能量到数字强度（这些结果是在此省略，但见[3,4]详细介绍）。

由于对流影响[6]，相关方法应用于热源和特征时间的同时估计。

该反应的焓（detah，单位kj/mol），其充当热源时，需要一个难于估计，因为在这种情况下，辐射源长期演进是与热损失相关。

因此，在此研究中，进行了公知的焓酸-碱化学反应。

热源的估计的时间或空间分布不对应于该反应的动力学，而是由于质量扩散更多的逐步混合化工产品。

对于不同的流量比（R）的化学反应的平均温度曲线（连续贡献），根据公式根据公式（3）描述，示例于图3。

温度分布的强度（T，单位：

DL）的酸-碱反应的降低的倾向为R增大。

的确，当液滴与油之比为弱（例如，R=0.5）时，弛豫时间是更高和比例向更高摩尔流量发展。

当比率增加（直到R=10）的摩尔流量减小，双相流达到由等环境芯片更快速施加的温度。

值得注意的是，温度分布为R=8和10的油液滴的比率几乎是相同的，因为液滴的体积几乎是相同的，并且它是重要的。

为了避免对流的影响，以精确定位在其中的热源或对流的影响是可估计的时间是很重要的。

从精确区的了解，在那里的热源是关闭，就能够估计为H系数作为时间的函数。

或者，当热源是打开的，它有可能估计热源Ø（t）（单位：

瓦特）：

通过应用等式（5）。

在方程（6）中，Ø是随着时间的推移集成的热源（单位：

J），M表示注入浓度（单位：

摩尔），C0为限制的反应物的初始浓度（单位：

molL-1），Qlim是限制反应流量（单位：

Ls-1）,

且tres是停留时间（单位：

s）。

在这个等式的1/2的因子是因为反应物流动和初始浓度是相同的。

图3所示的温度分布用公式（5）进行处理，得到热源Ø（t）。

将所得到的热源通过施加等式（6）随后对时间积分，其结果显示在图4A。

因此，由反应所消耗的能量，Ø，是涉及物种的性质特征。

图4A显示出了消散热源的强度下降的倾向是由于液滴油比增加，这是因为所用试剂的摩尔流量也减小。

此外，一旦最大热从源头已经消散，源保持不变通道。

在同一时间对油液滴比的所有值，其可以是混合时间的指示没有达到平台期。

为了使焓的准确估计，反应必须是完整的（完全混合），因为热源融合时，转换通道内完成整合提供了直接访问的反应焓。

焓

H（kj/mol）的估计是通过绘制集成热源Ø（j）相对于注入反应物M（=QlimC0tres）浓度的值来执行。

图4B显示出了集成的热源作为M的函数（成比例的摩尔流率）。

从这个数据，反应（在这种情况下，混合）的焓可以从线性回归分析来估计，其斜率代表所估计的焓。

所获得的热值是57.22kjmol-1，它有良好的一致性（小于2％的误差）为56kjmol-1文献报道值[7]。

从重复测量得到的不确定性是可以接受的，和实验重复性焓估计大约为94％，这表明估计是正确的。

图3测量持续贡献（CC），用于一个给定的总的流速（10mLh-1）在不同的流量比在室温下的酸-碱化学反应。

在这项研究中所使用的各种流率比率汇总于表1中。

注意，CC的温度分布以任意单位测量（数字水平，DL）。

图4（A）热源Ø（单位：

J）沿通道中的滞留时间的酸碱化学反应。

（B）对于不同的微滴的油流量比耗散能量通过在10mLh-1的总流量的酸-碱反应（总结于表1）作为注入反应物M的函数。

5.结论

一种非接触量热计基于红外热和一个毫流控等环境黄铜芯片的开发和验证为反应性两相流表征。

在这项研究中，盐酸和氢氧化钠之间的酸-碱反应被用作确认系统。

薄身媒体模型被用来近似在这种毫流控系统全局的热传递。

在这种近似估计中，仅是均匀介质和黄铜本体之间壁层的热交换得到考虑。

因此，为了进行化学反应的焓的定量估计（正比于集成热源Ø），一个相关的方法用于热源Ø和特征时间的同时估计，由于对流的效果高（H）。

在不同的进行此过程流量的比率。

使用这种方法，将酸-碱反应焓估计在文献价值的2％。

酸-碱反应通过质量扩散的限制，这是该反应的进行的标志。

这项研究的结果表明，热源和动力学在这样的双相流中，可以精确地估计通过应用所提出的方法和热标定。

总之，IRT对于放热的化学反应或其他现象的表征是一个方便、功能强大工具，其中热转移发生在该反应器中。