Parallelized microfluidic droplet generators with improved ladder–tree distributors for production of monodisperse γ-Al2O3 microspheres (Open Access)
Huilin Yi（伊绘霖）, Shuliang Lu（鲁树亮）, Jiajia Wu（吴佳佳）, Yujun Wang（王玉军）, Guangsheng Luo（骆广生）
Keywords: Microfluidics; Scale-up; γ-Al2O3 microspheres; Methanation
DOI: 10.1016/j.partic.2021.08.002
近年来，微通道反应器因能够精准控制流动、强化传质传热、提高过程安全性等众多优势而引起了研究者们的广泛关注。利用微通道反应器可以控制生产具有增强性能的颗粒，如窄粒径分布、均匀内部结构，因此在颗粒制备领域有着广泛的应用前景。
近日，清华大学王玉军教授和中国石化北京化工研究院鲁树亮合作设计了一种配有新型树状-阶梯状分布器的平行放大装置，成功应用于亚毫米级氧化铝微球的规模生产，并进一步表征了所得微球的CO低温甲烷化催化性能。该研究成果刊登在PARTICUOLOGY第62卷。
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研究背景
微通道能够精准控制流动、强化传质传热，近年来在颗粒制备领域有着广泛的应用。清华大学王玉军教授已经成功利用同轴环管型微通道制备得到高孔容（1.58 mL/g）和高比表面（387 m2/g）的亚毫米级氧化铝微球。所得微球尺寸小、分布均匀，且介孔结构丰富，有望作为安全性高、催化效率高的微反应器内的催化剂载体。
然而，单个微通道内产量低下，难以满足实际工业生产的需求，必须进行放大。其中，平行放大具有放大效应小的特点，是一种理想的放大形式。现有平行放大装置采用的分布器形式通常为树状分布或阶梯状分布，前者对加工精度要求高、容易出现误差累积，后者随放大数目的增加会出现流动死体积的增加。并且，现有关于平行放大的研究都集中于如何提高通道数目以提高产量，关于放大效应的研究较少。
内容简介
基于上述背景，清华大学王玉军教授和北京化工研究院鲁树亮合作设计了一种配有新型树状-阶梯状分布器的平行放大装置，成功应用于亚毫米级氧化铝微球的规模生产，并进一步表征了所得微球的CO甲烷化催化性能。
本文首先利用油水体系测试了新型分布器的分布效果，与传统阶梯状分布器和树状分布器相比，滴群变异系数分别降低了86.1%和32.9%。进一步，文章研究了新型分布器的二维放大效应，包括放大数目、连续相流量和粘度对液滴群变异系数的影响。装置成功应用于亚毫米级氧化铝微球的制备，尺寸、尺寸分布和介孔性质与单通道内所得微球相近。最后，将所得氧化铝微球负载Ni制备成催化剂，其丰富、均一的介孔结构利于NiO颗粒的高度分散从而提高催化性能，在140 ℃下反应转化率为商业催化剂的1.7倍，在低温（140–180℃）且高空速（10000–20000 h-1）条件下能够将氢气中少量CO脱除至小于0.2 ppmv，可应用于石油化工、氢能源等领域。
通讯作者
王玉军，清华大学教授、博士生导师，现任化工系党委书记，化工联合国家重点实验室清华分室主任。
王玉军教授长期从事微反应器及无机材料制备的研究，在AIChE J. 、CES、IECR、CEJ、Fuel等化工和材料领域重要学术刊物上发表论文170余篇，他引超3500次，连续入选爱思唯尔2004–2017, 2018、2019和2020年中国化学工程领域高被引学者榜单。获国家技术发明二等奖、优秀专利奖、中国颗粒学会青年颗粒学奖、中国颗粒学会-德国赢创优秀科学家、教育部新世纪优秀人才、全国石油和化工优秀科技工作者等荣誉称号。
供稿：原文作者
编辑：《颗粒学报》编辑部