CN102847455B - 一种微结构混合器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于化学化工技术领域的一种微结构混合器。该微结构混合器由第一接口板、第一流体分布板、流体混合板和第二接口板依次堆叠而成；其中，第一接口板上设有第一流体入口管和第一流体缓冲室；第一流体分布板上设有至少一个通槽；流体混合板上设有至少一个通槽；第二接口板上设有第二流体入口管、第二流体缓冲室、混合流体缓冲室和混合流体出口管；第一流体分布板上所设的通槽数量大于1个时，所设的通槽为平行通槽，流体混合板上所设的通槽数量大于1个时，所设的通槽为平行通槽。该微结构混合器单位体积的处理量大，易于加工和放大，对物料洁净度的要求低，可应用于化学、化工、石化、医药和食品等众多行业。

Description

一种微结构混合器

技术领域

本发明属于化学化工技术领域，具体涉及流体微混合技术和设备，可将其用于不同流体间的混合或反应过程。特别涉及一种微结构混合器。

背景技术

传统的化学反应釜或混合器，主要采用搅拌的方式混合，这种混合方式虽然原理简单，但因为设备内的混合尺度在毫米级甚至更大的尺度，所以存在混合效率低下，混合过程能耗大的问题。传统意义上的塔式、管式等反应器或混合器，虽然相对全混釜来说具有各自的特点，但因为它们和搅拌式设备同样处于毫米级混合尺度的范围，所以同样具有混合效率低下的问题。同时因为这些设备采用经验放大的方式，所以存在放大周期长、实现困难等问题。反应器的作用归根结底就是要提供良好的混合环境，而对于混合器来说则更是需要做到使物料快速、高效的混合。混合问题解决不好、或者混合效率低下就会导致反应周期长，单位体积反应器处理量低，反应过程不易控制的问题，对于伴有副反应的反应过程混合效率低更会导致反应器的选择性低下。

随着科学技术的发展，化工设备正在不断向着高效、节能的方向发展，在此基础上化工设备的微结构化成为了一个重要的趋势。近几年来在微加工、微测试技术的不断促进下，关于微尺度下混合、换热等方面的技术和科学发展极为迅速。众多的带有微结构的化工器件相继出现，改变了传统的搅拌式的混合模式。在微结构的作用下，带有微结构的化工设备把设备内的混合尺度降到了微米尺度，取代了传统反应器和混合器内的毫米级以上的混合尺度，利用微米尺度下的更短传递距离，更大的传质面积有效的强化了传热、传质过程，微结构化工设备的混合效率要远高于传统化工设备。目前人们研究和提出的微结构化工设备一般是以微孔分散为基础的，采用微孔阵列的方式对设备进行放大设计。由于微孔结构在各个方向上的尺寸都在亚毫米至微米量级，被处理体系中的微粒很容易造成其部分或全部阻塞。一旦这种情况发生，流体通过该微孔的速度就会急剧减小，从而使进一步的阻塞更容易发生。因此，微孔结构混合器对物料洁净度的要求往往很高，这限制它的推广和使用。采用与微孔不同的微结构，发展在操作上更可靠的新型高效混合器显然是十分必要的。

发明内容

本发明涉及化工装备领域，提出了一种可以使均相或非均相流体快速混合的新型微结构混合器。

本发明提供的一种微结构混合器，该微结构混合器由第一接口板、第一流体分布板、流体混合板和第二接口板依次堆叠而成；可采用压力紧固或者焊接的方法使上述四块板材构成一个整体；其中，

第一接口板上设有第一流体入口管和第一流体缓冲室；

第一流体分布板上设有至少一个通槽；

流体混合板上设有至少一个通槽；

第二接口板上设有第二流体入口管、第二流体缓冲室、混合流体缓冲室和混合流体出口管；

第一流体分布板上所设的通槽数量大于1个时，所设的通槽为平行通槽，流体混合板上所设的通槽数量大于1个时，所设的通槽为平行通槽。

第一流体分布板上所设的通槽与第一流体缓冲室相连通。

流体混合板上所设的通槽与第一流体分布板上所设的通槽具有相互连通的微槽型接触面。

第二流体缓冲室与流体混合板上所设的通槽一端相连通，混合流体缓冲室与流体混合板上所设的通槽另一端相连通。

在微结构混合内，第一流体和第二流体在第一流体分布板和流体混合板相互连通的微槽型接触面上撞击实现快速混合或微分散。

第一流体分布板上所设的通槽与流体混合板上所设的通槽不平行，一般可选择其相互垂直，以使得流体混合板上所设的通槽与第一流体分布板上所设的通槽具有相互连通的微槽型接触面。

所述的第一流体分布板上通槽的数量可为1至20个，每个通槽的宽度为0.4-2mm，长宽比为1-1000。

所述的流体混合板上通槽的数量可为1至20个，每个通槽的宽度为1-10mm，深度0.3-3mm。

该微结构混合器在原理上的特点是：

1.待混合流体的接触面为微槽型，其在一个维度上的尺寸控制在亚毫米至微米级，从而保证了接近微孔结构的混合性能；在另一维度上的尺寸可以增大至厘米级，可以很大程度上避免微孔易堵的问题。

2.采用堆叠式设计，第一流体分布板和混合流体板可以独立更换，从而灵活地适应在同处理量和操作条件的要求。

3.相对于微孔、微槽结构的处理量要大得多，在工程放大时设备的加工难度和成本都要低得多。

因此，该微结构混合器可望带来的良好应用效果包括：具有强大的微混合和微分散能力，设备的加工和放大容易，使用中对物料洁净度的要求低，对化学、化工、石化、医药和食品等多种复杂工业过程的适应能力更强，推广和应用前景更广阔。

该微结构混合器单位体积的处理量大，易于加工和放大，对物料洁净度的要求低，可应用于化学、化工、石化、医药和食品等众多行业。

附图说明

图1是本发明的微结构混合器每块板的俯视图；

图2是本发明的微结构混合器主视图；

图3是本发明的微结构混合器立体示意图(用以示意表示本发明的微结构混合器)；

图中标号：1-第一接口板；2-第一流体分布板；3-流体混合板；4-第二接口板；11-第一流体入口管；12-第一流体缓冲室；21-第一流体分布板上所设的通槽；31-流体混合板上所设的通槽；41-第二流体入口管；42-第二流体缓冲室；43-混合流体出口管；44-混合流体缓冲室。

具体实施方式

下面的实施例可以使本专业技术人员更全面的理解本发明，但不以任何方式限制本发明。

采用本发明设备，具体选择了化学探针技术表征微结构混合器的混合性能。所用的反应体系为：

H₂BO₃ ^-+H⁺→H₃BO₃

生成的碘单质会与I^-反应生成I₃ ^-：

用紫外吸收光谱可检测I₃ ^-的浓度，进而可算出Xs：

$\mathrm{Xs}=\frac{(C_{I_2}+C_{I_3^{-}})V}{n_{H^{+},0}}\left(\frac{{6C}_{{\mathrm{IO}}_3^{-},0}+C_{H_2{\mathrm{BO}}_3^{-},0}}{{3C}_{{\mathrm{IO}}_3^{-},0}}\right)$

Xs为分隔指数，它的值越小，表明混合性能越好。当为理想混合时，Xs为0；当混合性能很差时，Xs为1。

测试时，配置了两种溶液：A溶液，含有浓度为0.02253mol/L的硫酸；B溶液中，含有浓度为0.09mol/L的H₂BO₃ ^- ，0.03mol/L的I^-，0.006mol/L的IO₃ ^-。

以下实施例中，A溶液从第一接口板的第一流体入口管11进入微结构混合器，B溶液从第二接口板4的第二流体入口管41进入微结构混合器。

实施例1：

一种微结构混合器，该微结构混合器由第一接口板1、第一流体分布板2、流体混合板3和第二接口板4依次堆叠而成；其中，

第一接口板1上设有第一流体入口管11和第一流体缓冲室12；

第一流体分布板2上设有至少一个通槽21；

流体混合板3上设有至少一个通槽31；

第二接口板4上设有第二流体入口管41、第二流体缓冲室42、混合流体缓冲室44和混合流体出口管43；

第一流体分布板2上所设的通槽21与第一流体缓冲室12相连通。

流体混合板3上所设的通槽31与第一流体分布板2上所设的通槽21具有相互连通的微槽型接触面。

第二流体缓冲室42与流体混合板3上所设的通槽31一端相连通，混合流体缓冲室44与流体混合板3上所设的通槽31另一端相连通。

第一流体分布板2上所设的通槽21与流体混合板3上所设的通槽31相互垂直。

第一流体分布板上通槽的数量为1个，通槽的宽度为2mm，长宽比为5。流体混合板上通槽的数量为1个，通槽的宽度为1mm，深度0.3mm。

A溶液流量为2L/h，B溶液流量为2L/h，测得Xs为0.005。

实施例2：

一种微结构混合器，第一流体分布板上通槽的数量为20个，每个通槽的宽度为0.4mm，长宽比为1000。流体混合板上通槽的数量为20个，每个通槽的宽度为10mm，深度3mm。

第一流体分布板2上所设的通槽21为平行通槽，流体混合板3上所设的通槽31为平行通槽。其余与实施例1相同。

A溶液流量为20m³/h，B溶液流量为4m³/h，测得Xs为0.003。

实施例3：

一种微结构混合器，第一流体分布板上通槽的数量为5个，每个通槽的宽度为1mm，长宽比为100。流体混合板上通槽的数量为10个，每个通槽的宽度为5mm，深度2mm。其余与实施例2相同。

A溶液流量为2m³/h，B溶液流量为0.5m³/h，测得Xs为0.002。

实施例4：

一种微结构混合器，第一流体分布板上通槽的数量为3个，每个通槽的宽度为1mm，长宽比为50。流体混合板上通槽的数量为10个，每个通槽的宽度为3mm，深度1mm。其余与实施例2相同。

A溶液流量为0.6m³/h，B溶液流量为0.3m³/h，测得Xs为0.002。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种微结构混合器，其特征在于：该微结构混合器由第一接口板(1)、第一流体分布板(2)、流体混合板(3)和第二接口板(4)依次堆叠而成；其中，

第一接口板(1)上设有第一流体入口管(11)和第一流体缓冲室(12)；

第一流体分布板(2)上设有至少一个通槽(21)；

流体混合板(3)上设有至少一个通槽(31)；

第二接口板(4)上设有第二流体入口管(41)、第二流体缓冲室(42)、混合流体缓冲室(44)和混合流体出口管(43)；

第一流体分布板(2)上所设的通槽(21)数量大于1个时，所设的通槽(21)为平行通槽，流体混合板(3)上所设的通槽(31)数量大于1个时，所设的通槽(31)为平行通槽；

所述第一流体分布板(2)上所设的通槽(21)与第一流体缓冲室(12)相连通；

所述流体混合板(3)上所设的通槽(31)与第一流体分布板(2)上所设的通槽(21)具有相互连通的微槽型接触面；

所述第二流体缓冲室(42)与流体混合板(3)上所设的通槽(31)一端相连通，混合流体缓冲室(44)与流体混合板(3)上所设的通槽(31)另一端相连通；

在微结构混合内，第一流体和第二流体在第一流体分布板(2)和流体混合板(3)相互连通的微槽型接触面上撞击实现快速混合或微分散。

2.根据权利要求1所述的微结构混合器，其特征在于：第一流体分布板(2)上所设的通槽(21)与流体混合板(3)上所设的通槽(31)不平行。

3.根据权利要求1所述的微结构混合器，其特征在于：所述的第一流体分布板上每个通槽的宽度为0.4-2mm，长宽比为1-1000。

4.根据权利要求1所述的微结构混合器，其特征在于：所述的流体混合板上每个通槽的宽度为1-10mm，深度0.3-3mm。

5.根据权利要求1所述的微结构混合器，其特征在于：第一流体分布板(2)上所设的通槽(21)数量为1至20个，流体混合板(3)上所设的通槽(31)数量为1至20个。

6.据权利要求1所述的微结构混合器，其特征在于：采用压力紧固或者焊接的方法使所述四块板材构成一个整体。