CN108553939A - 一种3d打印多孔道微反应器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种3D打印多孔道微反应器及其应用，属于冶金过程快速混合与萃取设备技术领域。该3D打印多孔道微反应器，包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室、第二流体隔室、两相流体混合室、混合相分配室、多孔微通道、混合相缓冲室、水相入口A、油相入口B、液滴切割筛板C、混合相分配室入口D和混合液出口E。该3D打印多孔道微反应器应用，包括单相或多相反应微流体萃取，包括气液反应、液液反应。本3D打印多孔道微反应器结合了两相流体热质传递速率高和处理量大的特点，且设备成本低；传质面积大和对流扩散系数高，设备费用低，操作安全简单；调节锯齿形通道数量实现规模化生产，设备处理量大；选择性好、能耗低。
Description
技术领域
本发明涉及一种3D打印多孔道微反应器及其应用，属于冶金过程快速混合与萃取设备技术领域。
背景技术
在冶金、化学、化工、石化、医药和食品等众多领域，特别是冶金产业的低效高耗单元的混合、萃取和换热过程，都需要进行两相或多相流体间的混合与反应，混合性能对反应过程有重要的影响。传统的反应设备有平推流和全混釜反应器等，他们处理量大，可以满足工业大规模生产要求，但是存在以下问题：1、混合效果不理想。2、设备体积大。3、流体在反应器中停留时间长。近年来，随着微加工和精密加工制造技术的不断发展，市场上出现各种新型微反应器，由于微反应器的有效通道或腔室的物理尺寸缩小到微米级别，使得流体间温度、压力、浓度和密度等物理量的梯度急剧增加，导致传热传质推动力大大增加，可使传热系数提高几个数量级而传质反应时间降低几个数量级，优势还表现在能耗低和安全性高等。但是微反应器由于尺寸限制，处理量小，无法满足工业大规模生产要求；且制造成本高，不易加工。因此，开发一种热质传递速率高和处理量大的反应器对冶金过程两相流体快速混合与萃取反应工过程有十分重要的意义。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种3D打印多孔道微反应器及其应用。本3D打印多孔道微反应器结合了两相流体热质传递速率高和处理量大的特点，且设备成本低；传质面积大和对流扩散系数高，设备费用低，操作安全简单；调节锯齿形通道数量实现规模化生产，设备处理量大；选择性好、能耗低。本发明通过以下技术方案实现。
一种3D打印多孔道微反应器，包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室、第二流体隔室、两相流体混合室、混合相分配室、多孔微通道、混合相缓冲室、水相入口A、油相入口B、液滴切割筛板C、混合相分配室入口D和混合液出口E，多孔道微反应器本体一端上下位置处分别设有水相入口A、油相入口B，水相入口A、油相入口B分别与位于多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室、第二流体隔室相通，第一流体隔室、第二流体隔室中间位置处设有两相流体混合室，第一流体隔室底部与两相流体混合室顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室底部通过与第二流体隔室顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室内端与位于多孔道微反应器本体内部的混合相分配室的混合相分配室入口连通，混合相分配室混合相分配室出口端面上设有若干出口孔，若干出口孔均与位于多孔道微反应器本体内部的多孔微通道入口相通，多孔微通道出口与位于多孔道微反应器本体内部的混合相缓冲室相通，混合相缓冲室出口与位于多孔道微反应器本体端面上的混合液出口E相通。
所述混合相分配室呈拱形，厚度为2～3mm，使多孔微通道入口处萃取混合液的压力基本相同，保证每个通道的实时流量相同。
所述混合相分配室内部均匀分布横置的、直径为0.5～1mm的圆柱体，使两相流体进入混合室时形成碰撞流，保证两相流体进一步混合，同时缩小了混合相分配室的体积，缩短了混合相的停留时间，避免了两相液体的分层问题。
所述多孔微通道为若干均匀分布连续多孔通道，每个多孔通道截面为圆形（每个多孔通道形状为蛇形或螺旋形），圆形孔径为100～1000μm，其中每层中部分首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，锯齿的角度为20～100°，锯齿的长度和角度可进行调节，使混合流体更容易形成紊流，对流扩散系数更高。
所述多孔微通道为50个以上均匀分布的连续多孔通道。
所述混合相缓冲室为弧体室，有效宽度为10mm～15mm。
所述液滴切割筛板的筛板上设有若干均匀分布的多个圆形孔道，每个圆形孔道的孔径为0.5～1mm，单层液滴切割筛板C分别对称分布在第一流体隔室1底部和第二流体隔室2顶部构成两层液滴筛板，使两相流体碰撞混合更均匀。
一种3D打印多孔道微反应器应用，包括单相或多相反应微流体萃取，包括气液反应、液液反应。
上述3D打印多孔道微反应器模型由三维画图软件（SolidWorks）设计，并由3D打印机制备，其材料为树脂材料，以达到耐腐蚀的条件，适应各种高腐蚀的萃取环境。
该3D打印多孔道微反应器的工作原理为：
将水相、油相分别通过对应的流量泵从水相入口A、油相入口B通入到多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室、第二流体隔室中，第一流体隔室中水相经过液滴切割筛板C切割、第二流体隔室中油相经过液滴切割筛板切割均进入到两相流体混合室中油相和水相混合均匀，然后通过混合相分配室入口D进入到混合相分配室中，再从混合相分配室进入到多孔微通道中，最终汇聚在混合相缓冲室中，从混合液出口E流出后进行分相，完成一次单级萃取分离。
本发明的有益效果是：
（1）本3D打印多孔道微反应器结合了两相流体热质传递速率高和处理量大的特点，且设备成本低；传质面积大和对流扩散系数高，设备费用低，操作安全简单；调节锯齿形通道数量实现规模化生产，设备处理量大；选择性好、能耗低。
（2）本3D打印多孔道微反应器可应用于冶金、化学、化工、石化、医药和食品等多领域，特别是冶金产业的低效高耗单元过程如萃取、换热和混合过程。
（3）本3D打印多孔道微反应器通过调节每个多孔微通道的数量可实现规模化生产；也可根据两相流体的性质调节孔道的长度和角度，或改变孔道的形状调高反应器适用性；传质面积大和对流扩散系数高，设备费用低，操作安全简单。
（4）本3D打印多孔道微反应器是一种新型、高效、低能耗和高处理量的反应设备。
附图说明
图1是本发明3D打印多孔道微反应器轴测图；
图2是本发明3D打印多孔道微反应器竖剖三维结构图；
图3是本发明3D打印多孔道微反应器竖剖平面结构示意图；
图4是本发明3D打印多孔道微反应器横剖平面结构示意图；
图5是本发明3D打印多孔道微反应器实物图；
图6是本发明3D打印多孔道微反应器应用装置连接示意图。
图中：1-第一流体隔室，2-第二流体隔室，3-两相流体混合室，4-混合相分配室，5-多孔微通道，6-混合相缓冲室，A-水相入口，B-油相入口，C-液滴切割筛板，D混合相分配室入口，E-混合液出口。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1至5所示，该3D打印多孔道微反应器，包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室1、第二流体隔室2、两相流体混合室3、混合相分配室4、多孔微通道5、混合相缓冲室6、水相入口A、油相入口B、液滴切割筛板C、混合相分配室入口D和混合液出口E，多孔道微反应器本体一端上下位置处分别设有水相入口A、油相入口B，水相入口A、油相入口B分别与位于多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室1、第二流体隔室2相通，第一流体隔室1、第二流体隔室2中间位置处设有两相流体混合室3，第一流体隔室1底部与两相流体混合室3顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3底部通过与第二流体隔室2顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3内端与位于多孔道微反应器本体内部的混合相分配室4的混合相分配室入口D连通，混合相分配室4混合相分配室出口端面上设有若干出口孔，若干出口孔均与位于多孔道微反应器本体内部的多孔微通道5入口相通，多孔微通道5出口与位于多孔道微反应器本体内部的混合相缓冲室6相通，混合相缓冲室6出口与位于多孔道微反应器本体端面上的混合液出口E相通。
其中混合相分配室4呈拱形，厚度为2mm，使多孔微通道5入口处萃取混合液的压力基本相同，保证每个通道的实时流量相同；混合相分配室4内部均匀分布横置的、直径为0.5mm的圆柱体，使两相流体进入混合室时形成碰撞流，保证两相流体进一步混合，同时缩小了混合相分配室的体积，缩短了混合相的停留时间，避免了两相液体的分层问题；多孔微通道5为50个均匀分布连续多孔通道，每个多孔通道截面为圆形（每个多孔通道形状为蛇形），圆形孔径为100μm，其中每层中25个首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，锯齿的角度为20°，锯齿的长度和角度可进行调节，使混合流体更容易形成紊流，对流扩散系数更高；所述混合相缓冲室6为弧体室，有效宽度为10mm；液滴切割筛板C的筛板上设有若干均匀分布的多个圆形孔道，每个圆形孔道的孔径为0.5mm，单层液滴切割筛板C分别对称分布在第一流体隔室1底部和第二流体隔室2顶部构成两层液滴筛板，使两相流体碰撞混合更均匀。
将该3D打印多孔道微反应器应用在萃取贵金属过程中，应用装置连接示意图如图6所示，具体步骤为：
将采用含铂、钯的盐酸体系溶液（铂含量为0.174%，钯含量为3.361%）作为水相，用溶剂油稀释过的TBP（磷酸三丁酯）作为油相（油与磷酸三丁酯体积比为7：3），分别通过流量为192.5mL/min对应的流量泵通入到该3D打印多孔道微反应器，在该3D打印多孔道微反应器多孔微通道5中接触0.76s，从混合液出口E出来的混合萃取液分相后，检测得铂的萃取率为90.46%，钯的萃取率为99.64%，溶液处理量为11.55L/h。
实施例2
如图1至5所示，该3D打印多孔道微反应器，包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室1、第二流体隔室2、两相流体混合室3、混合相分配室4、多孔微通道5、混合相缓冲室6、水相入口A、油相入口B、液滴切割筛板C、混合相分配室入口D和混合液出口E，多孔道微反应器本体一端上下位置处分别设有水相入口A、油相入口B，水相入口A、油相入口B分别与位于多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室1、第二流体隔室2相通，第一流体隔室1、第二流体隔室2中间位置处设有两相流体混合室3，第一流体隔室1底部与两相流体混合室3顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3底部通过与第二流体隔室2顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3内端与位于多孔道微反应器本体内部的混合相分配室4的混合相分配室入口D连通，混合相分配室4混合相分配室出口端面上设有若干出口孔，若干出口孔均与位于多孔道微反应器本体内部的多孔微通道5入口相通，多孔微通道5出口与位于多孔道微反应器本体内部的混合相缓冲室6相通，混合相缓冲室6出口与位于多孔道微反应器本体端面上的混合液出口E相通。
其中混合相分配室4呈拱形，厚度为3mm，使多孔微通道5入口处萃取混合液的压力基本相同，保证每个通道的实时流量相同；混合相分配室4内部均匀分布横置的、直径为1mm的圆柱体，使两相流体进入混合室时形成碰撞流，保证两相流体进一步混合，同时缩小了混合相分配室的体积，缩短了混合相的停留时间，避免了两相液体的分层问题；多孔微通道5为60个均匀分布的连续多孔通道，每个多孔通道截面为圆形（每个多孔通道形状为螺旋形），圆形孔径为1000μm，其中每层中20个首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，锯齿的角度为100°，锯齿的长度和角度可进行调节，使混合流体更容易形成紊流，对流扩散系数更高；所述混合相缓冲室6为弧体室，有效宽度为15mm；液滴切割筛板C的筛板上设有若干均匀分布的多个圆形孔道，每个圆形孔道的孔径为1mm，单层液滴切割筛板C分别对称分布在第一流体隔室1底部和第二流体隔室2顶部构成两层液滴筛板，使两相流体碰撞混合更均匀。
将该3D打印多孔道微反应器应用在萃取贵金属过程中，应用装置连接示意图如图6所示，具体步骤为：
将采用含铑、铂、钯的盐酸体系溶液（铂含量为0.174%，钯含量为3.361%）作为水相，用溶剂油稀释过的TBP（磷酸三丁酯）作为油相（油与磷酸三丁酯体积比为4：1），分别通过流量为1.92mL/min对应的流量泵通入到该3D打印多孔道微反应器，在该3D打印多孔道微反应器多孔微通道5中接触76.56s，从混合液出口E出来的混合萃取液分相后，检测得铂的萃取率为90%，钯的萃取率为99%，因为水相中铑的含量较低，萃取后铑的萃取率可忽略不计，溶液处理量为0.12L/h。
实施例3
如图1至5所示，该3D打印多孔道微反应器，包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室1、第二流体隔室2、两相流体混合室3、混合相分配室4、多孔微通道5、混合相缓冲室6、水相入口A、油相入口B、液滴切割筛板C、混合相分配室入口D和混合液出口E，多孔道微反应器本体一端上下位置处分别设有水相入口A、油相入口B，水相入口A、油相入口B分别与位于多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室1、第二流体隔室2相通，第一流体隔室1、第二流体隔室2中间位置处设有两相流体混合室3，第一流体隔室1底部与两相流体混合室3顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3底部通过与第二流体隔室2顶部通过液滴切割筛板C相通，两相流体混合室3内端与位于多孔道微反应器本体内部的混合相分配室4的混合相分配室入口D连通，混合相分配室4混合相分配室出口端面上设有若干出口孔，若干出口孔均与位于多孔道微反应器本体内部的多孔微通道5入口相通，多孔微通道5出口与位于多孔道微反应器本体内部的混合相缓冲室6相通，混合相缓冲室6出口与位于多孔道微反应器本体端面上的混合液出口E相通。
其中混合相分配室4呈拱形，厚度为2.5mm，使多孔微通道5入口处萃取混合液的压力基本相同，保证每个通道的实时流量相同；混合相分配室4内部均匀分布横置的、直径为0.8mm的圆柱体，使两相流体进入混合室时形成碰撞流，保证两相流体进一步混合，同时缩小了混合相分配室的体积，缩短了混合相的停留时间，避免了两相液体的分层问题；多孔微通道5为60个均匀分布的连续多孔通道，每个多孔通道截面为圆形（每个多孔通道形状为螺旋形），圆形孔径为800μm，其中每层中15个首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，锯齿的角度为80°，锯齿的长度和角度可进行调节，使混合流体更容易形成紊流，对流扩散系数更高；所述混合相缓冲室6为弧体室，有效宽度为12mm；液滴切割筛板C的筛板上设有若干均匀分布的多个圆形孔道，每个圆形孔道的孔径为0.7mm，单层液滴切割筛板C分别对称分布在第一流体隔室1底部和第二流体隔室2顶部构成两层液滴筛板，使两相流体碰撞混合更均匀。
以上结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (8)
1.一种3D打印多孔道微反应器，其特征在于：包括多孔道微反应器本体、第一流体隔室（1）、第二流体隔室（2）、两相流体混合室（3）、混合相分配室（4）、多孔微通道（5）、混合相缓冲室（6）、水相入口（A）、油相入口（B）、液滴切割筛板（C）、混合相分配室入口（D）和混合液出口（E），多孔道微反应器本体一端上下位置处分别设有水相入口（A）、油相入口（B），水相入口（A）、油相入口（B）分别与位于多孔道微反应器本体内部的第一流体隔室（1）、第二流体隔室（2）相通，第一流体隔室（1）、第二流体隔室（2）中间位置处设有两相流体混合室（3），第一流体隔室（1）底部与两相流体混合室（3）顶部通过液滴切割筛板（C）相通，两相流体混合室（3）底部通过与第二流体隔室（2）顶部通过液滴切割筛板（C）相通，两相流体混合室（3）内端与位于多孔道微反应器本体内部的混合相分配室（4）的混合相分配室入口（D）连通，混合相分配室（4）混合相分配室出口端面上设有若干出口孔，若干出口孔均与位于多孔道微反应器本体内部的多孔微通道（5）入口相通，多孔微通道（5）出口与位于多孔道微反应器本体内部的混合相缓冲室（6）相通，混合相缓冲室（6）出口与位于多孔道微反应器本体端面上的混合液出口（E）相通。
2.根据权利要求1所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述混合相分配室（4）呈拱形，厚度为2～3mm。
3.根据权利要求2所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述混合相分配室（4）内部均匀分布横置的、直径为0.5～1mm的圆柱体。
4.根据权利要求1所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述多孔微通道（5）为若干均匀分布的连续多孔通道，每个多孔通道截面为圆形，圆形孔径为100～1000μm，其中每层中部分首尾相连的连续多孔通道构成锯齿形，锯齿的角度为20～100°。
5.根据权利要求4所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述多孔微通道（5）为50个以上均匀分布的连续多孔通道。
6.根据权利要求1所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述混合相缓冲室（6）为弧体室，有效宽度为10mm～15mm。
7.根据权利要求1所述的3D打印多孔道微反应器，其特征在于：所述液滴切割筛板（C）的筛板上设有若干均匀分布的多个圆形孔道，每个圆形孔道的孔径为0.5～1mm，单层液滴切割筛板（C）分别对称分布在第一流体隔室（1）底部和第二流体隔室（2）顶部构成两层液滴筛板。
8.一种根据权利要求1至7任意一项所述的3D打印多孔道微反应器应用，包括单相或多相反应微流体萃取。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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-
2018
- 2018-05-31 CN CN201810543698.XA patent/CN108553939A/zh active Pending
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