CN103930193A - 使颗粒结块最小化的云混合机和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供用于分散在液体中倾于结块的颗粒材料的设备和方法。颗粒材料暴露于液体并且以受控的方法放入该液体中以形成悬浮体或分散体，由此使结块最小化。该方法使用机械/水力混合，所述机械/水力混合防止颗粒材料物理性劣化并且抑制颗粒结块。在许多情况下，这些材料可以是纳米材料。几乎所有颗粒材料都可以被这样处理。该方法已经发现对于制备膨胀石墨烯的悬浮体和某些药物的悬浮体而言是尤其有用的。

Description

使颗粒结块最小化的云混合机和方法

敬启者：

已知住在美国密歇根州英厄姆县东兰辛市的两个美国公民——斯科特·默里和迈克尔·诺克斯——发明了一种全新且新颖的装置和方法，即：

使颗粒结块最小化的云混合机和方法

以下是其申请文件：

相关文献的交叉参考

本申请要求享有于2011年9月14日提交的当前待审的美国临时专利申请序列号61/573897的权益，本申请要求了该美国临时专利申请的优先权。

背景技术

如果颗粒能够在不被物理性损坏的情况下在各种条件下混合，则颗粒是更有用的。颗粒倾于结块，当这些材料被引入液体中时格外如此。混合通常将不会是有问题的，但是某些颗粒对苛刻处理较敏感。

在实验室设置中能够利用有益于产生期望性能的方法将材料以非常低的速率引入液体中。但这在大规模操作且要求在混合和分散操作之前将大量材料快速引入液体中的情况下并非总是有效。

最常用的引入方法涉及湍流和高剪切。有机器使用通过借助由液体流动和装备所产生的真空或压降而将材料拉入流中的各种引入方法。典型地，该类型的装备不控制材料引入的速度，或即便如此，该类型的装备也是通过调节系统中产生的真空量来控制材料引入的速度。

这两种技术揭示出材料以相对不受控的量被分散到液体中，并且这两种技术依赖于高压区域且在引入时立即剪切以“弄湿”材料。

对于许多应用场合而言，这类装备用于分散颗粒(尤其是石墨材料)的能力不令人满意。

因而期望的是这样的设备和方法，其能够将颗粒材料迅速地混合到液体中以得到均匀的分散体，并同时不会产生因苛刻处理而造成的问题。这种方法将使得纳米材料在液体中不产生结块。

“分散体”和“悬浮体”在本发明中认为是可互换的。

发明内容

本发明由此公开了对易于在液体中结块的颗粒材料加以分散的方法。该方法包括提供颗粒材料和雾化设备。雾化设备具有室，该室具有侧壁和通过侧壁插入的多个雾化喷嘴。

本发明还提供液体储存罐和将液体从储存罐泵送到歧管的高压泵。本发明提供多个输送管路，所述多个输送管路用于将液体从歧管输送到雾化喷嘴，并且液体受控地流经雾化喷嘴进入室中，以便在室中形成雾。

然后，纳米材料以受控的速率被供给到室的顶部中，并被允许下落穿过雾以形成分散体。新形成的分散体被引导给混合室并被输送给保持罐。

分散体借助大排量泵从保持罐通过入口端口循环到混合室中，其中循环的分散体经层状流动而与新制造的分散体接触并混合。

在另一个实施例中提供了一种用于在液体中分散颗粒材料的设备，该设备包括中空的管状室，所述中空的管状室具有敞开顶部、敞开底部和侧壁。敞开顶部已经在内部顶装有供给管进入部件，该供给管进入部件具有的供给管喉部的直径小于中空管状室的敞开顶部的直径。有穿过中空管状室的侧壁设置的一系列雾化喷嘴。

本发明具有液体储存罐、高压泵、歧管以及多个输送管路。本发明具有排放漏斗件，该排放漏斗件具有敞开的底端，并且该排放漏斗件被附装在中空管状室的敞开底部处。混合室具有穿过侧壁的入口端口。

本发明具有室排放部，该室排放部附装到排放漏斗件的敞开底端，并且该室排放部被具有外侧壁的筒形覆盖件包围。本发明具有包围筒形覆盖件且附装到该筒形覆盖件的支撑板。

本发明还涉及一种保持罐和大排量泵，其中，保持罐经由大排量泵连接到入口端口。

另外，本发明提供了又一个实施例，所述实施例是通过如上所述的工艺而获得的产品。

本发明的又一个实施例是一种对易于在液体中结块的颗粒材料加以分散的方法，该方法包括提供颗粒材料和雾化设备，其中雾化设备具有室，该室具有侧壁和穿过侧壁插入的多个雾化喷嘴。

本发明还具有液体储存罐、用于将液体从储存罐泵送到歧管的高压泵以及用于将液体从歧管输送到雾化喷嘴的多个输送管路，液体通过雾化喷嘴受控地流入室中以在室中形成雾。

纳米材料以受控的速率被供给到室的顶部中，并被允许下落穿过雾以形成分散体。新形成的分散体被收集在混合室中并且被输送给喷射器。

来自喷射器的分散体使用大排量泵一直循环到保持罐并返回到喷射器，其中，循环的分散体经层状流动与新制造的分散体接触并混合。

另外，本发明提供一种用于在液体中分散颗粒材料的设备，其中，该设备包括中空的管状室，所述中空的管状室具有敞开顶部、敞开底部和侧壁。

敞开顶部已经在内部顶装有供给管进入部件，该供给管进入部件具有的供给管喉部的直径小于中空管状室的敞开顶部的直径。本发明具有穿过中空管状室的侧壁设置的一系列雾化喷嘴。

本发明具有液体储存罐、高压泵、歧管和多个输送管路。本发明具有排放漏斗件，该排放漏斗件具有敞开底端，并且该排放漏斗件被附装在中空管状室的敞开底部处。排放漏斗件的敞开底端附装有室排放部，该室排放部被具有外侧壁的筒形覆盖件包围。

本发明具有包围筒形覆盖件且附装到该筒形覆盖件的支撑板。本发明具有喷射器、保持罐和大排量泵，所述喷射器具有入口管、入口端口和出口端口，保持罐经由大排量泵通过入口端口连接到喷射器。

最终的实施例是通过如上所述的工艺获得的产品。

附图说明

图1示出不带喷射器的本发明云混合机的主视图；

图2是经由线A-A得到的图1云混合机的剖视图；

图3是带喷射器的本发明云混合机的主视图；和

图4是经由线B-B得到的图3云混合机的剖视图。

具体实施方式

现在开始对本发明进行详细说明，在图1和图2中示出了本发明的云室1。云室1包括中空的管状室2，该中空管状室2具有敞开顶部3和敞开底部4。本发明具有侧壁5。敞开顶部3已经在内部顶装有供给管进入部件6(图2)，该供给管进入部件6具有供给管喉部7，供给管喉部7的直径小于中空管状室2的敞开顶部3的直径。供给管进入部件用于将颗粒供给到云室1中。

本发明提供了一系列雾化喷嘴8，这些雾化喷嘴8定位成穿过侧壁5伸出，使得液体可以经雾化喷嘴8压入云室1的内部中。雾化喷嘴8包括喷嘴安装件18、用于输入液体的喷嘴端口19、以及喷嘴孔口20，其足以将雾送入室1中。

本发明具有排放漏斗件9，所述排放漏斗件9具有敞开底端10，并且该排放漏斗件9附装到敞开底部4的底端11。本发明具有室排放部12，所述室排放部12附装到排放漏斗件9的敞开底端11，其中室排放部12被具有外侧壁14的筒形覆盖件13包围。筒形覆盖件13具有支撑板15，该支撑板15包围筒形覆盖件13，并且该覆盖件15附装到筒形覆盖件13。

与其中流动着被添加液体的输送管路21相比，云室1相对地大。增大的尺寸使得能够控制由云室1中的低压区域所产生的压降。

供给到雾化喷嘴8的液体被保持在保持罐22中，并经由管路23供给到高压泵24中。液体从高压泵24处被泵送到歧管25中，该歧管25将液体分散至输送管路21并进入喷嘴8中。

随着材料以受控的速率供给到云室1的顶部中，材料穿过雾云16下落至与液体的雾滴16接触的高度。在云室1的底端11处，所产生的真空和现在含有材料颗粒的液体17的累积流动二者都被引入流中。

随着新形成的分散体掉落到室1的底部中，该新形成的分散体进入储存罐27，该新形成的分散体随着大排量泵29将储存罐27的已混合分散体输送回室1的底部处的入口端口30而经由管路28输送。这样，所储存的分散体与新形成的分散体连续混合，并由此产生均匀的产品。

虽然在进入流中的引入点处发生一定湍流，但是在该点处的压力和剪切并不严重。被组合的液体和材料颗粒可以继而被引入到其它处理操作。

在另一个实施例中，现在参照图3和图4，其示出了本发明的云室1，其中相同的部件具有相同的附图标记，这些图示出了用于使新形成的分散体再循环的喷射器31的用法。

在该设备中，新形成的分散体排放至喷射器31，并从保持罐27通过大排量泵29运动，继而经由管路32返回到喷射器中。分散体通过喷射器31和储存罐27以持续的方式循环，直到分散体具有均匀的性质为止。

可以在本发明的设备中使用可与颗粒材料相容的任何液体，并且所述任何液体可以被驱逐通过雾化喷嘴，并且液体优选的是醇类，具体为异丙醇和正丙醇和水，或者是醇类和水的混合物。本发明在使用醇类时不必使用表面活性剂，然而，本领域的技术人员可以根据需要使用表面活性剂。当使用水时，优选的是使用表面活性剂。

利用如上所述的设备，本发明提供了在液体中分散颗粒材料的方法，该方法包括提供如上所述的颗粒材料和雾化设备。

在设立设备之后，即在将液体通过喷嘴供给到设备之后，颗粒材料(诸如纳米薄片、纳米管或任何其它倾于结块的材料)以受控的速率供给到室的顶部中，所述受控的速率通过从室离开的分散体状况确定。

喷嘴包括可与正混合的溶液相容的材料。这些喷嘴具有小孔口，对于具有小于或等于约1厘泊的低粘度溶液而言，所述小孔口典型地小于0.050英寸。喷嘴孔口尺寸可以随着溶液的粘度增大而增大。某些喷嘴可以包括过滤器以确保喷嘴不会堵塞，但是这些过滤器对于装置的性能而言不重要。

液体成分与固体成分的比率可以改变，直至喷射器无法产生压降。这些比率将随着正被处理的溶液量而改变，并将需要改变喷射器的尺寸。供给速率可以从每分钟数克(600克/小时)改变到更高的速率。云混合室的尺寸和产生压降(真空)的能力示明了最大速率。

本发明人在此已经利用这样的云室1，即，所述云室1的大致尺寸为具有4英寸至4.5英寸的直径和30英寸至36英寸的长度，并且所述云室1已经成功地示出高达10Kg/h的混合速率。本发明人在此应当相信，随着云混合器的扩大，该混合速率可以容易地增大到50Kg/h。

颗粒材料被允许自由下落穿过雾化液体，这在颗粒材料和液体的混合物落到室底部之前终将形成分散体。

颗粒材料分散体被收集在设备的底部处并且准备用于另外的用法和处理。

因而，颗粒材料暴露于液体并且以受控的方法置于该液体中，由此将结块最小化。该方法使用了防止颗粒物理性劣化的机械/水力混合。

几乎所有颗粒材料都可以被这样处理。该方法对于平均粒度小于等于约200微米的颗粒而言是非常有用的，其中，颗粒的至少一个尺寸具有小于25纳米的平均值。虽然优选的是本发明的颗粒材料为细小的颗粒材料，即颗粒材料在6纳米至16纳米的量级上，但是颗粒的尺寸可以具有几百微米的宽度。该方法已经发现对于制备膨胀石墨烯的分散体和某些药物的分散体而言是尤其有用的。

Claims (14)

1.一种对易于在液体中结块的颗粒材料加以分散的方法，所述方法包括：

i.提供颗粒材料；

ii.提供雾化设备，所述雾化设备具有室，所述室具有侧壁和穿过所述侧壁插入的多个雾化喷嘴；

iii.提供用于液体的储存罐；

iv.提供用于将液体从所述储存罐泵送到至歧管的高压泵；

v.提供多个输送管路，用以将液体从所述歧管输送给所述雾化喷嘴，液体受控地流过所述雾化喷嘴进入所述室中，以便在所述室中形成雾；

vi.将纳米材料以受控的速率供给到所述室的顶部中，并允许纳米材料下落穿过所述雾以形成分散体；

vii.将新形成的分散体收集在混合室中，并将该新形成的分散体输送至保持罐；

viii.利用大排量泵将分散体从所述保持罐通过入口端口循环至所述混合室中，其中循环的分散体经层状流动而与新制造的分散体接触和混合。

2.一种用于在液体中分散颗粒材料的设备，所述设备包括：

i.中空的管状室，所述中空的管状室具有敞开顶部、敞开底部和侧壁；

ii.所述敞开顶部在其内部顶装有供给管进入部件，所述供给管进入部件具有供给管喉部，所述供给管喉部的直径小于所述中空的管状室的敞开顶部的直径；

iii.一系列雾化喷嘴，所述一系列雾化喷嘴穿过所述中空的管状室的侧壁定位；

iv.用于液体的储存罐；

v.高压泵；

vi.歧管；

vii.多个输送管路；

排放漏斗件，所述排放漏斗件具有敞开底端，并且所述排放漏斗件被附装在所述中空的管状室的敞开底部处；

viii.混合室，所述混合室具有入口端口；

ix.室排放部，所述室排放部附装到所述排放漏斗件的敞开底端，所述室排放部被具有外侧壁的筒形覆盖件包围；

x.支撑板，所述支撑板包围所述筒形覆盖件并且附装到所述筒形覆盖件；

xi.保持罐；

xii.大排量泵，所述保持罐经由所述大排量泵连接到所述入口端口。

3.一种通过根据权利要求1所述的方法获得的产品。

4.根据权利要求3所述的产品，其中，所述产品是诸如石墨烯的石墨材料。

5.根据权利要求3所述的产品，其中，所述产品是药物。

6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒材料是石墨烯。

7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述颗粒材料是药物。

8.一种对易于在液体中结块的颗粒材料加以分散的方法，所述方法包括：

a.提供颗粒材料；

b.提供雾化设备，所述雾化设备具有室，所述室具有侧壁和穿过所述侧壁插入的多个雾化喷嘴；

c.提供用于液体的储存罐；

d.提供用于将液体从所述储存罐泵送至歧管的高压泵；

e.提供多个输送管路，用以将液体从所述歧管输送给所述雾化喷嘴，液体受控地流过所述雾化喷嘴进入所述室中，以便在所述室中形成雾；

f.将纳米材料以受控的速率供给到所述室的顶部中，并允许纳米材料下落穿过所述雾以形成分散体；

g.将新形成的分散体收集在混合室中，并且将所述新形成的分散体输送至喷射器；

h.利用大排量泵将分散体从所述喷射器一直循环到保持罐再返回到所述喷射器，其中循环的分散体经层状流动而与新制造的分散体接触和混合。

9.一种用于在液体中分散颗粒材料的设备，所述设备包括：

i.中空的管状室，所述中空的管状室具有敞开顶部、敞开底部和侧壁；

ii.所述敞开顶部在其内部顶装有供给管进入部件，所述供给管进入部件具有供给管喉部，所述供给管喉部的直径小于所述中空的管状室的敞开顶部的直径；

iii.一系列雾化喷嘴，所述一系列雾化喷嘴穿过所述中空的管状室的侧壁定位；

iv.用于液体的储存罐；

v.高压泵；

vi.歧管；

vii.多个输送管路；

viii.排放漏斗件，所述排放漏斗件具有敞开底端，并且所述排放漏斗件被附装在所述中空的管状室的敞开底部处；

ix.室排放部，所述室排放部附装到所述排放漏斗件的敞开底端，所述室排放部被具有外侧壁的筒形覆盖件包围；

x.支撑板，所述支撑板包围所述筒形覆盖件并且附装到所述筒形覆盖件；

xi.喷射器，所述喷射器具有入口管、入口端口和出口端口；

xii.保持罐；

xiii.大排量泵，所述保持罐经由所述大排量泵通过所述入口端口连接到所述喷射器。

10.一种通过根据权利要求8所述的方法获得的产品。

11.根据权利要求10所述的产品，其中，所述产品是诸如石墨烯的石墨材料。

12.根据权利要求10所述的产品，其中，所述产品包含药物。

13.根据权利要求8所述的方法，其中，所述颗粒材料是石墨烯。

14.根据权利要求8所述的方法，其中，所述颗粒材料是药物。