CN107708848B - 用于高粘性流体的快速混合的方法和装置 - Google Patents

Abstract

提供一种用于混合高度粘性流体以形成混合物的方法和装置。该混合物被快速产生并具有高水平的均匀性。通过在电场的影响下利用所引起的粘性流体融合来产生混合物。通过连接并行于电压源分配流体的管嘴并且使位于管嘴下面的收集板接地来引入电场。当施加某一电压时，共流粘性流体开始融合，因为电场在该流体的表面上产生应力，这导致粘性流体的几何形状和动力学的变化。电场的控制对混合物提供很好的控制。

Description

用于高粘性流体的快速混合的方法和装置

技术领域

本发明总体上涉及用于高效且快速混合具有大且不同的粘度的两种或更多种流体的方法和装置。更具体地，本发明依赖使粘性流体电气化并引起它们有力地融合（fold）。

背景技术

两种或更多种液体的混合是一种通常为了使结果得到的混合物均匀而完成的操作。这样的混合操作控制许多化学或工业过程（诸如化学和生物反应）以及混悬制剂。最终产品的质量着重依赖于混合过程的效率和彻底性。差的混合可能导致各物质之间低效且不完全的反应，导致最终产品具有不满意的性能。

在具有高雷诺数的湍流中混合通常是高效且快速的。然而，对于高粘性流体，尤其在受限空间中，流动是层流的，其具有低雷诺数。在没有湍流的情况下，混合主要受分子扩散支配。粘性流体内的缓慢扩散导致极其缓慢的混合或几乎没有明显的混合。当具有大粘度的各流体之间的快速混合是至关重要的过程时这提出了重大挑战。

总是难以混合两种粘性流体，例如硅油类。按照惯例，通过利用机械叶轮搅动流体来混合粘性流体。然而，这种类型的混合仅工作在宏观尺度并且仅使叶轮周围的流体混合。能量消耗高并且随着流体的粘度增加而急剧增加。此外，在混合期间粘性流体中的热量传递一般很差，这造成在搅动过程期间的不便。参见R.K. Thakur, Ch. Vial, K.D.P.Nigam, E.B. Nauman 和 G. Djelveh, Trans. IChemE., 81, 787 (2003) 。

利用微流体通道中的压电盘可以稍微增强混合；但是仅在雷诺数处于10^-2规模的受限区域中。然而，可以被管理的最高粘度是44.75 mPa·s。参见S. Wang, X. Huang, andC. Yang, Lab. Chip., 11, 2081 (2011) 。还可以通过使用粘性指形效应（fingeringeffect）来增强混合。该指形效应最大化各粘性流体之间的界面面积并且最小化混合时间。然而，它仅在各流体之间存在粘度反差的情况下起作用并且该反差必须在最佳范围内。参见B. Jha, L. Cueto-Felgueroso, R. Juanes, Phys. Rev. Lett., 106, 194502(2011)。

已经提出了用来增强处于低雷诺数流模式的不同液体之间的混合。例如，已经设计了复杂且弯曲的通道来生成混沌对流以被动地促进混合。备选地，已经引入了诸如超声微混合器、声学振荡气泡和附加泵之类的主动方法。这些主动混合器（mixer）通过使流体表面拉伸且融合来施加混沌混合。

然而，可以利用这些方法处理的粘度被限于几十mPa·s内。与对于流体运动的大阻力相关联的高粘度对上面提到的方法构成关键限制。此外，对于被动方法，该原理是易懂的，但是它牵涉到复杂的通道制作、缺乏灵活性并通常与被困在通道中的死体积相关联。对于典型地牵涉外来物体的主动方法，用来移除这些物体的附加步骤会向操作添加复杂性。更重要地，混合器附近的流体比更远离混合器的流体更均匀。

本领域中还已知，可以通过被称为静电纺丝法的方法来制造凝固的纳米纤维。为了从流体中汲取非常细小的纤维（通常是微米尺度或纳米尺度），静电纺丝法使用在流体容器的出口管嘴和导电收集器板之间施加的电荷。当被压缩时，该纤维可以像弹力绳那样融合。然而，在静电纺丝法中使用的典型流体常常是导电且没有粘性的。而且，使用单一流体或预混合的流体。参见WE Teo, S Ramakrishna, Nanotechnology 17, R89 (2006)。

具有一种可以在没有现有技术的缺点的情况下快速且有效地混合非常粘性流体的方法和装置将是有利的。

发明内容

本发明涉及一种用于以受控方式快速且有效地混合具有非常大粘度的流体且产生均匀结果的通用方法和装置。

本发明基于使用电力（electric force）来引起粘性流体有力地融合。粘性流体的快速融合导致流体界面的快速拉伸和融合，这使混合物迅速地处于均匀状态。可以在没有使用必须被稍后处理的外来混合器的必要性的情况下将它应用于快速混合具有大粘度的两种或更多种流体。粘性流体被充分且有效地混合而没有相关联的死体积。此外，所消耗的能量不会随着流体粘度的增加而增加。

可以将本发明的方法应用于混合具有大且不同粘度的多种流体，只要通过体积平均得到的平均粘度足够大。

在一个示例性实施例中，具有大粘度的两种或更多种流体被引入到悬挂在导电收集板上方的共用室顶部中。允许流体传递通过或共流通过该室并且在该室的底部处通过导电管嘴离开，该管嘴在该板上方一定距离处。通过将电源的正极端连接至管嘴或注入设备且将负极端连接至收集板来在该管嘴和板之间施加高电压。该电压创建促使流体在它们从管嘴通向板时彼此融合的电场。当流体在该板上聚集时发生进一步地融合。实际上，所施加的电场在粘性流体的表面上产生电气应力，从而改变它们的几何形状和动力学。

通过施加不同的高电压，可以获得不同的混合结果。特别地，当电压增加时在相同的时间段期间流体的混合增加。

由本发明（在其中电力引起粘性流体有利地融合）从不同粘性流体的混合制成的混合物是均匀的并且可以通过调整电力而被调整。不仅可以通过改变所施加的电压还可以通过改变各电极之间的距离来调整电力。

通过融合频率以及两种粘性流体流过的管嘴或喷出物（jet）的直径来控制粘性流体之间的混合效率。可以通过电力或场强来有效地调整融合频率和喷出物直径二者。

可以利用本发明来混合的流体的优选示例是具有大粘度的流体（具有≥2 Pa·s粘度的硅油；硅油和正丁醇混合物；具有≥3.5 Pa·s粘度的聚二甲基硅氧烷；大豆卵磷脂；聚甘油蓖麻醇酯；商用环氧树脂）。用来证实有效混合的粘性流体的优选示例是聚二甲硅氧烷和具有油溶性荧光染料油红O的聚二甲硅氧烷。用来证实电力控制融合频率和喷出物直径的粘性流体的优选示例是大豆卵磷脂、聚甘油蓖麻醇酯、以及具有不同体积比的硅油和正丁醇的混合物。用来证实所施加的电力的有效性的粘性流体的优选示例包括具有不同体积比的硅油和正丁醇的混合物。用来证实该混合的有效混合和性能的粘性流体的优选示例是具有可与彼此起反应的两个部分的商用环氧树脂。

附图说明

可以通过对附图进行参考的优选实施例的以下详细描述来更完全地理解本发明，在附图中：

图1是用于实践本发明的方法的设备的图示；

图2示出在其中当电压增加时引起硅油的共流以进行融合的一系列图像；

图3示出对于混合流体的生长环图样；

图4a是在不同的施加电压下温度相对时间的图，图4b是作为各环之间的距离ΔL的函数的在环氧反应期间生成的热通量q的双对数图，并且图4c是作为所施加的电压的函数的混合且反应的环氧的弹性模量的图；

图5是示出当电场强度增加时流体的喷出物的直径变得更细且它融合得更快的一系列照片；

图6a是示出对于不同电场所混合的流体的生长环图样之间的厚度的一系列照片，图6b是示出随着增加的电场的融合频率的增加以及喷出物半径的减小的图表，图6c是作为融合频率的函数的各环之间的距离的双对数图；以及

图7a和7b分别是在不同的施加电压下且对于具有两种不同粘度的流体的融合频率和喷出物直径的图表。

具体实施方式

图1示出用于实践本发明的装置的简化设置。在图1中，用注射泵（未被示出）经过单独的入口向Y形连接器10并行注入两种粘性流体L1、L2。连接器的出口通向圆筒12。流体基本上在不混合的情况下通过该圆筒到达金属管嘴14。金属收集盘16被放置在金属管嘴下面并且将离开管嘴的流体收集在板16上。如图1a中示出的，当不施加电场时，流体仍然未被混合。实际上，如果将两种油放在一起达若干个小时，则它们仍然未被混合。然而，如在图1b中所示的，当由源18提供电场时，引起共流的粘性流体融合并混合。

两种粘性流体是例如聚二甲硅氧烷和具有油溶性荧光染料油红O的聚二甲硅氧烷以提供反差并图示混合。可以全部为金属或具有金属部分或金属带的管嘴14可以具有分别为1.4mm和1.84mm的内径和外径。该管嘴14和板之间的距离通常是1cm-2cm。金属管嘴被连接至高压电源18的正极端，并且金属板被连接至该电源的负极端。在0-12kV的范围中调整电压（图1）。以在约5-80ml/h的范围中的相同速率来注入两种粘性流体。

管嘴14的尺寸可以从20μm到几十毫米变化。可以根据应用来使用金属管或具有金属带的玻璃毛细管制造该管嘴。使用具有恒定流率Q1和Q2的注射泵（更长的泵）来将粘性流体L1和L2注入到管嘴（其具有直径d_nozzle）中。归因于高的粘度和相对小的规模，所注入的流体以彼此之间的区别边界线并行流动，即共流。参见图1a中的浅灰色和深灰色物质。在与流体流动方向相同的方向上生成电场。管嘴和收集板之间的距离是h，并且电势差是U。因此电场强度估计如下：

E＝U/h。

当电场被接通并且增大到阈值时，所输入的粘性流体变得更细，开始有力地融合/卷绕并落到已接地的板16上。粘性流体的电感应融合可以被可视化并且由具有（尼康）镜头的高速相机（Phantom V9.1）以固定的时间间隔进行记录，如图2和图5中所示。

在所有实验中采用的流体都具有高于1.5 Pa·s的粘度，包括环氧树脂、聚二甲基硅氧烷油和具有不同粘度的硅油。已经在没有任何阻塞问题的情况下测试了高达16 Pa·s的高粘性流体。为了使混合质量可视，可以在硅油中添加油溶性荧光染料油红作为一个液相。其他液相不包含染料。这在图1中被示出为浅灰色和深灰色流体。分别具有染料和不具有染料的两种粘性流体被注入管嘴中，并且并行流动直到它们落到收集板上为止。在不具有电场的情况下，在对于落下的喷出物和板上的沉积二者来说透明区域和染色区域之间区别边界线保持。这表明当不存在电场时在观察时间期间流体之间没有明显的混合。

在施加的4 kV/cm电场的情况下，粘性喷出物被设置成有力地融合/卷绕，并且在没有区别区域的情况下该卷绕在板上延伸。图1b。结果示出电场的施加显著增加混合效率。图2示出在其中当电压从0kV增大到9kV时引起硅油（浅色和深色）的共流以进行融合的一系列图像，并且粘性流体的随后沉积的颜色从深色/浅色变成深色，这指示这两种流体之间的混合。

还可以通过用荧光染料代替染料油红而获取的荧光图像来确认在不具有电场的情况下混合的失败以及在有电场的情况下的混合。在这样的图像中，黑色区域表示完全透明的聚二甲硅氧烷并且白色区域表示染色的聚二甲硅氧烷。图3的荧光图像示出在其中灰度级指示染料浓度的生长环图样。该环是混合的指示。

在不具有电场的情况下，两种环氧树脂没有被良好混合并且反应不完全。结果，混合不好的环氧不能凝固。这可以通过示出混合物不能将金属棒粘贴到板上来证实。然而，利用电场来获得且被收集在板上的结果得到的流体混合物固化成固体。此外，当电场强度增大时，存在更快速的温度升高。这指示施加的高压导致反应的快速发起。参见图4a，这是在不同的施加电压下温度相对时间的图。为了获得图4a的图，监测沉积的环氧胶泥的温度变化达10分钟。温度的升高指示反应的发起，而温度的下降归因于向周围环境的热耗散。同时更高的电场强度还促进彻底的反应，由此达到更高的温度。特别地，体积越高，就越快地达到该温度。这暗示所施加的电场强度越高所生成的热量就越多。图4b是作为各环之间的距离（其可以由电力来控制（图6b））的函数的在环氧反应期间生成的热通量q的双对数图。如可以在图4b中看到的，热通量以扩散距离的倒数线性增加。

为了进一步证实所施加的高电压促进彻底的反应，评估在树脂被混合且反应达10分钟之后凝固的程度以确保完全反应。该评估表明在更高的电压的情况下混合物更坚硬，如通过具有所施加的电压的混合物的弹性模量的增加所指示的。参见图4c，其是作为所施加的电压的函数的混合且反应的环氧的弹性模量的图。这些结果一起证实了本发明是一种用于以受控方式混合高度粘性流体的有效、鲁棒且快速的方法。

如在图5中所示的，当所施加的电力增加时，融合频率增加并且喷出物的直径（半径）减小。例如，在开始卷绕的阈值附近，流体在低频率处卷绕以及流体喷出物的直径与管嘴尺寸在相同规模。当电场强度E增加时，流体的喷出物变得更细并且其以这样的高频率更快速地融合使得流体堆积在已接地板上的柱状物中。在图5中，流体是大豆卵磷脂。然后流体柱状物延伸到板上以形成生长环图样（图3）。

在低强度的情况下，可以利用肉眼来观察生长环图样；而在高强度的情况下，仅可以在显微镜下以高放大率来观察环图样。（图6a）各生长环图样之间的厚度是随后扩散的特征扩散距离L。扩散时间强烈地依赖于扩散距离L和流体分子的扩散系数D。如图6b中所示，增大场会增大融合频率并减小喷出物半径（直径）。图6c示出在增加融合频率的情况下各环之间的距离的减小。频率增加促使特性扩散距离减小，这促进快速且有效混合（图6c）。此外，可以通过控制融合频率来控制该特性扩散距离以针对不同化学反应速率实现期望长度规模。这些结果表明可以通过控制电力来控制混合结果。

在相同的电场强度下，对于具有更高介电常数的流体来说电力要比具有更低介电常数的流体的更大。因此，在具有高介电常数的流体的情况下，随着电场强度增加，融合频率增加以及喷出物直径减小更明显。参见图7a和7b。在这些图中，流体是硅油和正丁醇的混合物。它们的粘度被配制成相同的。硅油和正丁醇的介电常数分别是2和17.8。

因此，对于具有高介电常数的流体易于实现充分混合，因为所施加的电力易于足以产生快速融合频率。然而，对于低介电常数的流体，为了实现相同的融合频率，需要施加更强得多的电场E。

尽管已经参考其优选实施例特别示出并描述了本发明，但是本领域技术人员将会理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可进行形式和细节上的各种变化。此外，可在不偏离本文中所述的中心概念的情况下进行许多修改以使特定情况适应所要求保护的主题的教导。因此，意图使所要求保护的主题不限于所公开的特定示例，但是这样的所要求保护的主题还可包括落入所附权利要求以及其等同物的范围内的所有实施方式。

Claims (11)

1.一种用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，包括以下步骤：

促使两种流体彼此并行地共流通过具有导体部分的管嘴；

向收集板提供用于容纳来自管嘴的共流流体的导体部分；以及

通过在管嘴的导体部分和收集板的导体之间施加电压来在共流流体中感应在它们的流动方向上的电场，由此在流体中引起粘性流体融合以将它们混合。

2.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中该两种流体具有不同的粘度。

3.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中通过控制所感应的电压的幅度来控制融合的频率。

4.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中通过控制管嘴和收集板之间的距离来控制融合的频率。

5.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中该电场的强度在0到14kV/cm的范围中。

6.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中该管嘴具有在40微米到2.0mm的范围中的内径。

7.根据权利要求1所述的用于以高水平的均匀性产生两种大粘度流体的混合物的方法，其中该两种流体的流速在5ml/h到80ml/h的范围中。

8.用于以高水平的均匀性混合两种大粘度流体的装置，包括：

具有至少两个输入端和一个输出端的连接器，其中该两种流体可以被分别应用于两个输入端中的每一个；

两种流体彼此并行共流通过的在连接器的处于输出端处的管嘴，该管嘴的至少一部分是电气导体；

用于容纳来自管嘴的共流流体的收集板，该收集板的至少一部分是电气导体；以及

高压源，其被连接在管嘴的导体和收集板的导体之间并且被布置成使得在共流流体中感应处于该共流流体的从管嘴到收集板的流动的方向上的电场，由此在流体中引起粘性流体融合以将它们混合。

9.根据权利要求8所述的用于以高水平的均匀性混合两种大粘度流体的装置，其中该高压源是可调整的以便提供从0到12kV的电压。

10.根据权利要求8所述的用于以高水平的均匀性混合两种大粘度流体的装置，其中该管嘴和收集板之间的距离在1cm到2cm的范围中可调整。

11.根据权利要求8所述的用于以高水平的均匀性混合两种大粘度流体的装置，其中该管嘴具有1.4mm的内径和1.84mm的外径。

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