CN101274233B - 物质处理装置及物质处理方法 - Google Patents

Abstract

一种物质处理装置以及一种物质处理方法，其中所述物质处理装置包括第一元件以及可相对旋转地至少部分收容于该第一元件内的第二元件，第一元件和第二元件之间形成一物质处理通道，第一元件与第二元件相对旋转时可使物质处理通道内的被处理物质形成库特流。该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔，以及一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。所述物质处理装置和物质处理方法具有良好的密封效果，并有效防止被处理物质泄漏至外部环境。

Description

物质处理装置及物质处理方法

【技术领域】

本发明涉及一种物质处理装置及一种物质处理方法，尤其是一种具有良好密封效果的定子-转子型物质处理装置及物质处理方法。

【背景技术】

现有的定子-转子型反应器包括设有圆柱状的定子和转子，转子可相对旋转地安装在定子中。转子和定子间形成一个狭窄的环形物质处理通道，转子高速旋转所产生的巨大剪切力可使被处理物料在所述物质处理通道中形成库特流，从而实现流体的充分混合。

要形成库特流，需要使转子高转速运行，因此，密封装置的磨损非常迅速。若仅以密封圈进行密封，因为磨损迅速需要经常更换。根据使用经验，一般需要一天更换一次密封圈，为使用带来极大不便。

另外，进行每一次实验之前一般需要清洗反应器，防止残留物污染下一次实验，尤其是高通量实验。若密封装置过于复杂，比如迷宫式密封，残留物进入密封装置后不易被清除，就会对下一次实验造成污染从而影响实验结果。

鉴于现有定子-转子型高剪切力反应器存在的以上缺陷，有必要提供一种全新的物质处理装置以满足高通量实验的需求。

【发明内容】

本发明的一个目的在于提供一种物质处理装置，具有可靠持久的密封效果。

本发明的另一个目的在于提供一种物质处理方法，具有可靠持久的密封效果。

本发明并不限于以上目的。

本发明的一方面提供了一种物质处理装置，包括设有第一圆柱面的第一元件以及设有第二圆柱面的第二元件。其中，第一圆柱面与第二圆柱面之间形成一环形物质处理通道，第一圆柱面与第二圆柱面之间的间距足够小，使得当第一元件与第二元件相对旋转时，被处理物料可在所述物质处理通道中形成库特流。所述物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔。所述物质处理装置还包括一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。

其中，所述第一元件与第二元件位于所述密封腔内的部分可以是其他形状，比如三角柱、四方柱、六角柱等。

其中，所述密封腔由第一元件、第二元件、第一密封件和第二密封件包围形成。

本发明的另一方面提供了一物质处理装置，包括第一元件以及可相对旋转地至少部分收容于该第一元件内的第二元件，第一元件和第二元件之间形成一物质处理通道，第一元件与第二元件相对旋转时可使物质处理通道内的被处理物质形成库特流。该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一端，以密封所述物质通道。所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔。所述物质处理装置还包括一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。

本发明的另一方面提供了一种物质处理方法，包括以下步骤：往一物质处理通道中输入第一原料与第二原料；使所述第一原料与第二原料至少之一在所述物质处理通道中形成库特流；使一第一流体通过一位于所述物质处理通道一端的密封腔。

进一步的，第二端口与第一流体收集装置连接。

第一流体可以是气态物质也可以是液态物质。较优选的，第一流体是气态物质。更优选的，第一流体可以是空气、氮气、惰性气体等气态物质。更优选的，第一流体可以是不与物质处理通道内的物质发生反应的气态物质。如果第一流体是空气，可以把从第二端口排出的空气直接排入大气，也可以进行处理后，比如过滤，再排入大气；如果第一流体是惰性气体等比较昂贵的气态物质，可以把从第二端口排出的第一流体进行净化后再循环利用。对于由第一流体带出的泄漏物可以集中收集处理。

进一步的，第一流体以高速注入所述密封腔，具有冷却第一密封件与第二密封件的作用，若第一密封件与第二密封件之一是密封圈，那么第一流体可以防止其软化。同时高速的第一流体可以及时把自物质处理通道泄漏至密封腔的物质从第二端口吹扫出去，从而兼具清洗密封腔的作用。如果第一流体是气态物质，且密封腔内的第一流体保持一定压力，比如通过在第二端口处设置一个压力流量控制装置(PFC)使密封腔内的第一流体保持一定压力，那么第一流体又同时具备了气密封的作用，优选的，密封腔内的压力小于物质处理通道内的压力。另外，若第一流体为惰性气态物质(相对于物质处理通道内的物质而言)，还可以防止空气从磨损产生的第二密封件与第二元件之间的间隙进入物质处理通道影响被处理物质。

进一步的，第一密封件和第二密封件可以采用但不限于以下密封方式，比如螺纹密封、以各种材料制成的各种密封圈、石墨密封等等。

进一步的，所述第一元件和第二元件相对旋转的速度可以是1000rpm(转每分钟)至12000rpm，优选的，可以是3000rpm至8000rpm，根据具体情况进行选择。

【附图说明】

图1是本发明物质处理装置的结构示意图。

图2A-2B是本发明物质处理装置的剖视图。

图3C-3E是图2B中A所示部分的局部放大图。

图4是本发明物质处理方法的流程图。

【具体实施方式】

请参图1，在一个实施方案中，一物质处理装置10包括一第一元件11、一第二元件12以及一驱动装置14。其中，第一元件11设有圆柱状收容腔100，第二元件12可旋转地收容于收容腔100，其中，第二元件12收容于收容腔100的部分为圆柱状。第一元件11与第二元件12之间形成环形物质处理通道110，其包括预处理段111及处理段112。第二元件12对应物质处理通道预处理段111的部分为第二元件预处理段121，第二元件对应物质处理通道处理段112的部分为第二元件处理段122。

收容腔周面为光滑表面，第二元件预处理段121周面设有连续条纹，第二元件处理段122周面为光滑表面。如此，当驱动装置14驱动第二元件12旋转时，物质处理通道预处理段111可产生一沿轴向由物质处理通道预处理段111指向物质处理通道处理段112的分力，利于物料进入物质处理通道处理段112，并使物料分布均匀。其中，驱动装置14可以是电机，当然也可以是其他动力装置，比如磁力驱动装置等。

第一元件12对应物质处理通道预处理段111处设有第一进料端口113，第一进料端口113与固态原料输送装置20连接。其中，所述固态原料输送装置20可以是螺旋加料装置。

螺旋加料装置20包括储料室21、送料管道22、螺杆23以及驱动装置24。储料室21用于存储固态原料。螺杆23收容于送料管道22。驱动装置24用于驱动螺杆23旋转，从而把固态原料从储料室21通过第一进料端口113输送至所述物质处理通道110。

在一个实施方案中，螺旋加料装置20还可以包括与储料室21连通的净化管道25，用于送料前抽空储料室21内的空气以免污染固态原料和物质处理通道110内的反应。在一个实施方案中，螺旋加料装置20还可以包括与储料室21连通的疏通管道26，用于向储料室21内通入一定压力的气体，以防止固态原料造成堵塞。

进一步的，通入所述疏通管道26的气体不与储料室21内的固态原料反应，或者在一定条件下不与储料室21内的固态原料反应。

进一步的，通入所述疏通管道26的气体可以是氮气、氦气、氖气、氩气等的一种或多种。

进一步的，如业内技术人员所知，还可以采用其他固态原料输送装置，比如粉末输送泵、管链送料机等。

进一步的，还可以在第一进料端口113处设置振动装置，振动第一进料端口113以防止固态原料堵塞第一进料端口113。振动装置可以是通过脉冲气体提供振动的装置，也可以是通过机械碰撞提供振动的装置。

第一元件11还设有第二进料端口114，其中，第二进料端口114位于第一进料端口113靠近处理段的一侧，用于输送液态原料。在一个实施方案中，可以采用注射装置作为液态原料输送装置。当然，也可以采用其他液态原料输送装置，比如泵等。

在一个实施方案中，也可以通过第一进料端口113进行液态原料输送，通过第二进料端口114进行固态原料输送。

进一步的，可以把物质处理装置倾斜放置或者垂直放置，使预处理段111的水平位置高于处理段112，从而避免液态原料进入第一进料端口113造成堵塞。

进一步的，第一元件11对应处理段处还设有产物收集端口115。

请参图2A，在本发明的一个实施方案中，物质处理装置10a包括第一元件11a、第二元件12a、第一密封元件131a以及第二密封件132a。其中，第一元件10a设有一圆柱状收容腔。第二元件a可旋转地收容于第一元件的收容腔，从而，第一元件11a与第二元件12a之间形成环状物质处理通道110a。

在一个实施方案中，第一密封件131a是形成于第二元件12a上的螺纹密封，第二密封件132a是密封圈，第二密封元件132a设于第一密封元件131a远离物质处理通道110a的一侧。第一元件11a、第二元件12a、第一密封件131a以及第二密封件132a包围形成密封腔130a。第一元件11a还设有与密封腔130a连通的第一端口133a和第二端口134a。可以通过第一端口133a输入一第一流体，再通过第二端口134a输出第一流体。一方面，若密封腔130a内的第一流体保持在一定的压力下，可以在一定程度上防止物质处理通道110a内的被处理物质泄漏至密封腔130a。另一方面，第一流体还可将由物质处理通道110a泄漏至密封腔130a的物质从第二端口134a吹扫出以收集并进行相关处理，从而防止泄露物泄漏至设备所处环境。

请参图2B，在另一实施方案中，物质处理装置10b包括第一元件11b、第二元件12b、第一密封元件131b以及第二密封件132b。其中，第一元件10b设有一圆柱状收容腔。第二元件b可旋转地收容于第一元件的收容腔，从而，第一元件11b与第二元件12b之间形成环状物质处理通道110b。

第一密封件131b和第二密封件132b都是密封图。第一元件11b、第二元件12b、第一密封件131b以及第二密封件132b包围形成密封腔130b。第一元件11b还设有与密封腔130b连通的第一端口133b和第二端口134b。

以下将结合图3C至图3E对图2B中A部分的密封结构进行更详细的说明。

进一步的，请参图3C，第一密封件131c和第二密封件132c均采用普通密封圈，当物质处理装置运行一段时间后密封圈就会被磨损成为零间隙配合，在密封圈与第二元件12c之间形成间隙1310c和1320c。磨损后形成的间隙较小，只要密封腔130c内的第一流体保持一定压力就可在一定程度上阻止物质处理通道110c内的物质泄漏进入密封腔130c。另外，密封圈磨损后不再需要润滑油以减小第一元件11c转动的阻力，也不再因磨擦从密封圈上脱落细微的材料颗粒而污染物质处理通道内的被处理物质。只要第一流体不与物质处理通道内110c的被处理物质反应，相比密封圈磨损之前，因为没有润滑油以及磨损产生的颗粒，因此，物质处理通道110c受到的污染得到了降低。

在一个实施方案中，在第二元件12c上靠近第一端口133c和第二端口134c处设置第一凹槽135c，在第一元件11c收容腔靠近第一端口133c和第二端口134c处设置第二凹槽136c，该设置可以在一定程度上防止泄漏物质从缝隙1320c泄漏至物质处理装置外。由于液态物质容易进入但不容易流出第一凹槽135c和第二凹槽136c，因此，可以阻碍从物质处理通道110c泄漏的液态物质向第二密封件132c方向运动。另外，在第一流体的高速冲击下，第一凹槽135c内的液态物质可被吹扫至第二凹槽136c内。在一个实施方案中，第二端口134c设置在第二凹槽136c内，被第一流体吹扫至第二凹槽136c内的液态物质可被进一步通过第二端口134c吹扫出，进而被集中收集与处理。在一个实施方案中，可以把第一凹槽135c设计成利于把其内的液态物质吹扫至第二凹槽136c的形状。在一个实施方案中，第一凹槽135c沿轴向设置在第二凹槽136c的范围内。

进一步的，可以把第一端口135c设置在密封腔130c顶部，把第二端口136c设置在密封腔130c底部，从而利于把泄漏物质从第二端口136c吹扫出。也可以根据具体情况比如第一端口135c的大小、第二元件12c的直径等设计成其他分布，总之只要利于把泄漏物质从第二端口136c吹扫出即可。

请参图3D，在一个实施方案中，第一密封件131d和第二密封件132d是设于第一元件11d的单唇密封圈，其唇部1311d和1321d都位于密封腔130d内，第一密封件131d和第二密封件132d磨损后与第二元件12d之间形成间隙1310d和1320d。如果密封腔130d内的压力大于物质处理通道110d，那么第一密封件131d的唇部1311d将被压往第二元件12d从而形成密封，同样的，如果密封腔130d内的压力大于物质处理装置所处环境的压力，那么唇部1321d将被压往第二元件12d从而形成密封。另一方面，若从第一端口133d输入并从第二端口134d输出的第一流体是具有一定压力的气态物质，那么密封装置就同时具备了气密封的作用。

进一步的，请参图3E，在一个实施方案中，第一密封件131e和第二密封件132e是设于第一元件11e的单唇密封圈，其中，第一密封件131e的唇部1311e位于物质处理通道110e内，而第二密封件132e的唇部1321e位于密封腔130e内，第一密封件131e和第二密封件132e磨损后与第二元件12e之间形成间隙1310e和1320e。如果密封腔130e内的压力小于物质处理通道110e，那么第一密封件131e的唇部1311e将被压往第二元件12e从而形成密封，同样的，如果密封腔130e内的压力大于物质处理装置所处环境的压力，那么第二密封件132e的唇部1321e将被压往第二元件12e从而形成密封。另一方面，若从第一端口133e输入并从第二端口134e输出的第一流体是气态物质，那么密封装置就同时具备了气密封的作用。

就密封件的磨损而言，密封件磨损后与第二元件之间的间隙是最小间隙，若第一流体是气态物质且密封腔保持一定压力，那么密封装置就具备了气密封效果，与密封件结合后能达到较佳的密封效果。所述密封装置即使在密封件磨损后依然具备较好的密封效果，所以即使密封件磨损后也不需要更换，耐用程度高。另外，密封件磨损后与第二元件之间不再有摩擦，所以无需再为其添加润滑油，从而减少了对物质处理通道内物质的污染，对于要求较高的实验而言这点尤为重要。

就物质处理通道的清洗而言，因为所述密封装置的特殊结构，即使第一密封件不采用结构复杂的密封手段，密封装置也同样具有良好的密封效果，而第一密封件的结构越简单就越利于清洗，所以所述密封装置的特殊结构利于物质处理通道的清洗。

就物质的泄漏而言，因为第一流体从第一端口输入并从第二端口输出，可以把自物质处理通道泄漏进入密封腔的物质及时从第二端口冲刷走，这些泄漏物质就不会从第二密封件泄漏出物质处理装置污染实验环境。

本发明物质处理装置的第一元件和第二元件可以使用相同的或者不相同的材料制成。基于待处理物的特性、产物特性、反应或(和)混合过程的所需条件、成本等因素考虑，本发明物质处理装置的元件可以由铸铁、不锈钢、合金、铝等金属材料制成，也可以由塑料等高分子材料制成，也可以由陶瓷、玻璃、石英玻璃等无机材料制成，还可以由复合材料制成。

本发明的物质处理装置具有以下优点：

本发明的密封结构中，往密封腔内通入流体的设计具有冷却第一密封件和第二密封件的作用；同时通入的流体还具有清扫密封腔的作用，从而防止泄漏物泄漏出物质处理装置污染物质处理装置所处环境；若通入密封腔的流体是气态物质，还具有气密封的作用；如果第一密封件为密封圈，还能因此克服因第一密封件磨损而产生的密封问题；若所述流体为惰性气态物质(相对于物质处理通道内的物质而言)，藉吹扫或(和)压力，还可防止空气从由磨损产生的第二密封件和第二元件之间的间隙进入密封腔，从而进一步经过第一密封件和第二元件之间的间隙进入物质处理通道影响被处理物质。

本发明的物质处理装置可用于使待处理物充分混合或者使待处理物充分混合而得以充分反应。待处理物可以是具有一种成分的流体，也可以是具有多种成分的混合流体，其中，流体可以是气体、液体、胶体、固体颗粒或粉末等，只要流体的形状可以随着收容该流体的容器的形状的改变而改变即可，待处理物中至少包括一种液体。本发明物质处理装置可以使可溶性的固体或液体完全溶于溶剂中，形成均匀溶液，例如在溶液中均匀添加催化剂等；使不可溶性的固体颗粒或气体暂时分布于溶剂中，形成悬浮液，例如利用悬浮的硅颗粒从含有细胞的液体内萃取核糖核酸，在润滑油中加入石墨颗粒以提高润滑效果等；使微溶性的液体以微小液滴分布于溶剂中形成乳状液，如充分混合水与燃油以制造新型节能燃料，用溶剂从原油中提取或剔除特定成分等；促使反应物充分对流，减少局部的浓度差异，从而使反应完全，例如使不互溶的液体和气体充分混合而完全反应等；促使溶液对流，减少局部的温度差异，从而保持溶液的温度一致；还可以使黏度较大的生物材料(bio-derived feedstock)与其他原料进行充分混合或者反应；还可以用于研制接枝聚合物、离子液体、纳米材料等。

图4为本发明一物质处理方法300的流程图。所述物质处理方法300包括以下步骤：往物质处理通道中输入第一原料与第二原料(步骤301)；使所述第一原料与第二原料至少之一在所述物质通道中形成库特流(步骤303)；通过第一端口往位于所述物质通道一端的密封腔内输入一第一流体，通过第二端口将所述密封腔内的物质输出(步骤305)。

本发明申请中所列专利均是作为参考文献所援引的。上述例举的实施方案中所涉及的描述，举例和数据仅作为演示和例证之用，并非限定本发明的范围。任何根据本发明所做的非实质性修改加工皆落入本发明权利要求范围内。因此，附件权利要求书的精神和范围不局限于本申请对该发明的说明版本。

Claims (10)

1.一种物质处理装置，包括：

第一元件；

第二元件，可相对旋转地至少部分收容于所述第一元件内；

物质处理通道，形成于所述第一元件和第二元件之间，当所述第一元件与第二元件相对旋转时可使被处理物质在所述物质处理通道内形成库特流；

其特征在于，该物质处理装置还包括一密封腔，位于所述物质处理通道的一侧，以密封所述物质通道；所述物质处理装置还包括一第一端口，用于将一第一流体引入所述密封腔；以及一第二端口，用于输出所述密封腔内的物质。

2.如权利要求1所述的物质处理装置，其特征在于：所述密封腔由第一元件、第二元件、第一密封件以及第二密封件包围形成。

3.如权利要求2所述的物质处理装置，其特征在于：所述第一密封件以及第二密封件是密封圈。

4.如权利要求3所述的物质处理装置，其特征在于：所述第一密封件是单唇密封圈，将所述物质处理通道与密封腔隔离，其唇部朝向密封腔内。

5.如权利要求4所述的物质处理装置，其特征在于：所述第二密封件是单唇密封圈，将所述密封腔与外部环境隔离，其唇朝向于密封腔内。

6.如权利要求1所述的物质处理装置，其特征在于：所述第一流体是气态物质。

7.如权利要求6所述的物质处理装置，其特征在于：所述第一流体是在所处条件下对被处理物质惰性的气态物质。

8.如权利要求1所述的物质处理装置，其特征在于：所述物质处理通道包括预处理段和处理段，其中，第一元件与第二元件相对旋转时，预处理段产生一沿轴向由预处理段指向处理段的分力。

9.如权利要求1所述的物质处理装置，其特征在于：所述第一元件为定子，所述第二元件为转子。

10.一种采用权利要求1所述的物质处理装置进行物质处理的方法，包括以下步骤：

往所述物质处理通道中输入第一原料与第二原料；

使所述第一原料与第二原料至少之一在所述物质处理通道中形成库特流；以及

使一第一流体通过位于所述物质处理通道一侧的所述密封腔。

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