CN110404488A - 一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，包括计算机控制单元通过程序控制流体驱动单元；流体驱动单元驱动反应液至混沌流微混合器实现快速混合，驱动连续相载流液至嵌段单元对反应液进行剪切形成尺寸均匀的液滴进入合成单元；合成单元包括温控装置，盘管器一及盘绕其上的PTFE管道；结晶单元包括温控装置，盘管器二及盘绕其上的PTFE管道；样品分离单元用于实现连续相载流液与反应液、反应液与固体产物的先后分离；连接组件为各个单元之间的连接件；混沌流微混合器和嵌段单元可设置多组以并联的方式组合。本发明的系统，可以实现危险性离子盐的快速安全制备，并可以对合成产物进行在线分离。

Description

一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统

技术领域

本发明涉及火工品和起爆装置领域，特别是一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统。

背景技术

危险性离子盐本质上等同于含能离子盐，作为含能材料的一种，广泛应用于工程爆破、航空航天、爆炸成形、武器系统等，对推动人类社会进步起着关键作用。危险性离子盐的制备是运用组合化学的方法，通过阳离子和阴离子的自由组合，从而快速获得大量离子盐化合物。危险性离子盐作为含能材料的一种，其主要特性是对外界作用比较敏感，在较小的外界作用，如撞击、摩擦、火焰、加热、静电火花等作用下，即能发生爆炸变化，且迅速由燃烧转变为爆轰。

然而，由于常规间歇式反应器尺度大，传热、传质效率不高，反应体系中不可避免地存在大范围的浓度梯度、温度梯度，这使得在反应器内不同区域的反应环境差异很大。所以采用常规间歇釜式反应器合成的危险性离子盐常以不同的结晶形态出现，聚晶颗粒和单晶颗粒掺杂存在，晶体颗粒具有非常宽的粒度分布。同时，作为含能材料，危险性离子盐的合成过程本身就带有一定的危险性，威胁着人员与设备的安全。此外，常规合成危险性离子盐的反应器容量大，单次生产量大，而单位体积和单位时间内得到的信息量很少，不仅不利于常规分析工作的开展，对于筛选工作的进行也带来了巨大的挑战，这也使得合成过程中产生大量的废药，增加了销爆的危险性。

微流控技术是利用微管道精确控制和操控微尺度流体，尤其特指亚微米结构的技术，是一个包括了工程学，物理学，化学，微加工和生物工程的多交叉学科。近几十年来，随着微流控技术的快速发展，人们开始探索微尺度下多相流液滴动力学原理及流动行为，微通道中的液滴操控技术，以及对这一技术的应用研究，其中之一即广泛应用于微纳米颗粒的制备。与传统间歇式反应相比，微流控技术具有更高的混合效率、更快的传热传质速率、更低的试剂消耗量以及更精确的反应参数控制。

目前，利用微流控技术制备含能材料已开展了一定研究工作，主要利用两T型接口形成嵌段流随后进入管道，通过增加管道的长度实现反应液的混合及反应。一方面，反应液之间的混合主要依靠微流体的自由扩散，混合相对较慢，混合效率相对较低；另一方面，管道过长造成滞留时间的大幅度增加，导致反应效率的低下。同时，对于反应液的后处理尚未进行优化，无法实现在线分离。综上，现有方法在完成含能材料制备的同时仍面临着一些亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种混合高效、滞留时间短、可实现在线分离的危险性离子盐制备系统。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，包括依次连接的计算机控制单元，流体驱动单元，混沌流微混合器，嵌段单元，合成单元，结晶单元，样品分离单元，及连接组件；所述的计算机控制单元通过程序控制流体驱动单元；所述的流体驱动单元包括驱动单元一和驱动单元二，驱动单元二驱动反应液至混沌流微混合器实现快速混合，驱动单元一驱动连续相载流液至嵌段单元对反应液进行剪切形成尺寸均匀的液滴进入合成单元；所述的合成单元包括温控装置，盘管器一及盘绕其上的PTFE管道；所述的结晶单元包括温控装置，盘管器二及盘绕其上的PTFE管道；所述的样品分离单元用于实现连续相载流液与反应液、反应液与固体产物的先后分离，样品分离单元包括单向阀组、具有抽取/注入功能的注射泵、自制分离柱、抽滤装置和收集瓶；所述的连接组件为各个单元之间的连接件；所述的混沌流微混合器和嵌段单元可设置多组以并联的方式组合。

进一步的，嵌段单元的功能结构可以是“T”型结构、“Y”型结构、流动聚焦型结构或共聚焦结构。

进一步的，合成单元包括温控装置、盘管器一及PTFE管道中；所述盘管器一包括直径90mm的圆柱形铝制套管以及相匹配的外部固定装置；其中铝制套管上雕刻有与PTFE管道尺寸相配的螺旋式凹槽，用于PTFE管道的盘绕，其盘绕长度可调；外部固定装置包括可装配的两部分铝制外壳，相应的位置开有多个通孔用于PTFE管道的长度调控和供PTFE管道通过，同时开有6个直径为6～8mm的螺纹孔，并搭配相应螺丝，起到固定作用。

进一步的，结晶单元包括温控装置、盘管器二及PTFE管道；所述盘管器二包括直径90mm的圆柱形铝制套管以及相匹配的外部固定装置；其中铝制套管上雕刻有与PTFE管道尺寸相配的螺旋式凹槽，用于PTFE管道的盘绕，其盘绕长度可调；外部固定装置包括可装配的两部分铝制外壳，相应的位置开有多个通孔用于PTFE管道的长度调控和供PTFE管道通过，同时开有6个直径为6～8mm的螺纹孔，并搭配相应螺丝，起到固定作用。

进一步的，样品分离单元包括单向阀组、分离柱、具有抽吸/注入功能的注射泵，抽滤装置以及收集瓶；其中单向阀组通过设置4个单向阀彼此相连构成，满足连续抽取/注入的回路；单向阀一进口端和单向阀二出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件一的两端相连，单向阀三进口端和单向阀四出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件二的两端相连，单向阀一出口端和单向阀三出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件三的两端相连，单向阀二进口端和单向阀四进口端通过PTFE管道分别与Y型连接件四的两端相连，Y型连接件一和Y型连接件二通过PTFE管道分别和注射泵的两端相连接，Y型连接件三通过PTFE管道和收集瓶相连接，Y型连接件四通过PTFE管道和分离柱相连接；其中分离柱由透明硼硅酸玻璃烧制而成，标有刻度，两端带有磨砂法兰边，其尺寸与抽滤装置相匹配，分离柱的下端和抽滤装置通过抽滤夹相连接，并且分离柱上开有小孔用于对产物的清洗。

进一步的，并联的方式组合包括2个以上的混沌流微混合芯片、2个以上的嵌段单元及2个以上的合成单元、2个以上的结晶单元及2个以上的样品分离单元，并流体驱动单元分别与并联单元相连接。

利用上述混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统进行危险性离子盐的制备，具体步骤如下：

步骤一，配制危险性离子盐合成的相关反应液和添加剂溶液；

步骤二，将连续相载流液和相关反应液分别置于流体驱动单元2和流体驱动单元3，并设置好流速，备用；

步骤三，将流体驱动单元与混沌流微混合器、嵌段单元、合成单元、结晶单元、样品分离单元用PTFE管和相应的连接组件依次连接，并根据需要自由调整合成单元和结晶单元长度；

步骤四，根据反应液总液量设置好进入分离柱PTFE管道的长度，保证PTFE管口同分离柱对应的容积刻度线平齐，连接好单向阀组与注射泵，同时设定好流速备用

步骤五，开启温控装置，根据需要分别设置合成温度和结晶温度；

步骤六，待温度加热至设定温度，开启流体驱动单元3，推动反应液流入PTFE管道；

步骤七，待反应液进入混沌流微混合器前，开启流体驱动单元2，向PTFE管道内连续泵送连续相载流液；

步骤八，当危险性离子盐结晶完全后从进入样品分离单元，开启注射泵，对连续相载流液进行回收，同时开启抽滤装置对反应液和固体产物进行分离。

本发明与传统技术相比，其显著优点为：1.系统中混沌流微混合器具有快速混合的功能，能够在小于1s的时间内实现反应液的完全混合，大大缩短了反应所需时间，提高了反应效率；2.嵌段单元避免了固体产物在管道内的结壳与沉淀，解决了固体产物在管道内堵塞所可能引起的安全问题。与此同时，嵌段流能够为晶体提供稳定的生长环境，所制备危险性离子盐的粒径分布较窄且晶体形貌均匀；3.作为适用于危险性离子盐制备的微反应系统，一定程度上可以取代现有的常规反应釜式合成手段，在保证产品质量的基础上可以实现小规模安全生产；4.该危险性离子盐制备系统可以对混沌流微混合器和嵌段单元简单并联，实现高通量筛选和批量生产。

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统示意图。

图2为混沌流微混合器示意图。

图3为不同嵌段单元结构示意图，图a、b、c、d分别对应“T”型、共聚焦型、“Y”型以及流动聚焦型。

图4为盘管器结构示意图。

图5为样品分离单元结构示意图。

图6为混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备的并联系统结构示意图。

计算机控制单元1、驱动单元一2、驱动单元二3、连续相载流液4、反应液5、混沌流微混合器6、嵌段单元7、盘管器一8、盘管器9二、温控装置10、温控装置11、分离柱12、抽滤装置13、单向阀组14、注射泵15、收集瓶16、底部结构17、顶部结构18、共聚焦型19、“Y”型20、流动聚焦型21、铝制圆柱体22、外部固定装置23、单向阀一24、单向阀二25、单向阀三26、单向阀四27、Y型连接件一28、Y型连接件二29、Y型连接件三30、Y型连接件四31。

具体实施方式

结合图1，本发明的一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐的制备系统，包括计算机控制单元，流体驱动单元，混沌流微混合器，嵌段单元，合成单元，结晶单元，样品分离单元以及连接组件。其中，其中计算机控制单元1通过程序控制流体驱动单元；所述流体驱动单元包括驱动单元一2和驱动单元二3，驱动单元二3驱动反应液5至混沌流微混合器6实现快速混合，驱动单元一2驱动连续相载流液4至嵌段单元7对反应液进行剪切形成尺寸均匀的液滴进入合成单元，进行化学合成反应；所述合成单元包括温控装置10，盘管器一8及盘绕其上的PTFE管道，通过温控装置可以实现合成不同危险性离子盐时所需的热量调控，通过盘管器8可以对不同合成反应所需的PTFE管进行长度调节，以适应不同化学合成反应的需要；所述结晶单元包括温控装置11，盘管器9二及盘绕其上的PTFE管道，通过温控装置可以实现不同危险性离子盐结晶时所需的温度调控，通过盘管器二9可以对不同物质结晶过程所需的PTFE管进行长度调节，以适应不同物质结晶的需要；所述样品分离单元用于实现连续相载流液与反应液、反应液与固体产物的先后分离，主要包括单向阀组14，具有抽取/注入功能的注射泵15，自制分离柱12，抽滤装置13和收集瓶16，待产物流入分离柱12，通过注射泵15与单向阀组14的配合，将连续相载流液回收至收集瓶16从而完成连续相载流液与反应液的分离；同时，通过抽滤装置13完成固体产物与反应液的分离；其中单向阀组14主要包括四个独立的单向阀，单向阀一24进口端和单向阀二25出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件一28的两端相连，单向阀三26进口端和单向阀四27出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件二29的两端相连，单向阀一24出口端和单向阀三26出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件三30的两端相连，单向阀二25进口端和单向阀四27进口端通过PTFE管道分别与Y型连接件四31的两端相连，Y型连接件一28和Y型连接件二29通过PTFE管道分别和注射泵的两端相连接，Y型连接件三30通过PTFE管道和收集瓶相连接，Y型连接件四31通过PTFE管道和分离柱相连接；分离柱的下端和抽滤装置通过抽滤夹相连接，并且分离柱上开有小孔用于对产物的清洗。

结合图2，混沌流微混合器6是由多个周期性微混合单元构成，共两层，包括底部结构17和顶部结构18，具体微混合单元的数量取决于不同危险性离子盐反应液所需要的混合强度；流体流入混沌流微混合器，在微混合单元的作用在上下对流，从而实现快速高效混合。

结合图3，嵌段单元7主要为实现连续相载流液对反应液的剪切以生成尺寸均匀的液滴，不局限于一种形状，例如“T”型7、共聚焦型19、“Y”型20以及流动聚焦型21。

结合图4，盘线管8主要包括两大部分，分别是铝制圆柱体22和外部固定装置23，铝制圆柱体22用于PTFE管道的盘绕，可实现PTFE管道长度的自由调控，同时，中空结构有助于管道的快速受热，避免了较大的温度梯度；外部固定装置23用于再度对PTFE管道的固定，同时，一定厚度的铝板保证了危险性离子盐合成过程中的安全问题。

结合图5，样品分离单元主要包括分离柱12，抽滤装置13，单向阀组14，具有抽取/注入功能的注射泵15和收集瓶16，通过计算反应液总液量事先固定进入分离柱PTFE管道的长度，保证PTFE管道的端口同相应的刻度线平齐，待产物流入分离柱12，通过注射泵15与单向阀组14的配合，将连续相载流液回收至收集瓶16从而完成连续相载流液与反应液的分离；同时，通过抽滤装置13完成固体产物与反应液的分离。

结合图6，一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备并联系统，包括计算机控制单元，流体驱动单元，2个以上的混沌流微混合器，2个以上的嵌段单元，2个以上的合成单元，2个以上的结晶单元，2个以上的样品分离单元以及相应的连接组件，其中样品分离单元的注射泵可以共用。

本发明的一种利用上述混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统进行危险性离子盐制备的方法，具体步骤如下：

步骤一，配制危险性离子盐合成的相关反应液和添加剂溶液5；

步骤二，将连续相载流液4和相关反应液5分别置于流体驱动单元一2和流体驱动单元二3，并通过计算机控制单元1设置好流速，备用；

步骤三，将流体驱动单元与混沌流微混合器6、嵌段单元7、合成单元、结晶单元、样品分离单元用PTFE管和相应的连接组件依次连接，并根据需要自由调整合成单元中盘线管8和结晶单元中盘线管9上所盘绕PTFE管道的长度；

步骤四，根据反应液总液量设置好进入分离柱12内部PTFE管道的长度，保证PTFE管口同分离柱对应的容积刻度线平齐，连接好单向阀组14，注射泵15和收集瓶16，同时设定好流速备用；

步骤五，开启温控装置10和温控装置11，根据需要分别设置合成温度和结晶温度；

步骤六，待温度加热至设定温度，开启流体驱动单元3，推动反应液5流入PTFE管道；

步骤七，待反应液5进入混沌流微混合器6前，开启流体驱动单元一2，向PTFE管道内连续泵送连续相载流液4；

步骤八，当危险性离子盐结晶完全后从进入样品分离单元，开启注射泵15，对连续相载流液4进行回收，同时开启抽滤装置13对反应液和固体产物进行分离。

其中，步骤二中所述连续相载液4可选正十四烷、正十八烷或全氟甲基十氢萘中的任一种。

下面的实施例仅对本发明进行进一步的说明，不应理解为对本发明的限制。

实施例1：危险性离子盐三硝基间苯二酚钡的制备

以正十四烷作为连续相载流液4，三硝基间苯二酚镁溶液和硝酸钡溶液作为反应液5；配制0.05mol/L的三硝基间苯二酚镁溶液5mL，调节pH值至4.5，配制0.05mol/L的硝酸钡溶液5mL，调节pH值至5.0，并将两种反应溶液置于流体驱动单元二3中，由计算机控制溶液进样速率为0.1mL/min；同时，将正十四烷置于流体驱动单元一2中，由计算机控制溶液进样速率为0.8mL/min；通过温控装置10设定合成单元温度为65℃，同时，通过温控装置11设定结晶单元温度为25℃；将PTFE管道端口同分离柱12内部10mL刻度线平齐，并连接好单向阀组，注射泵及抽滤装置；开启流体驱动单元二3，推动反应液5流入PTFE管道；待反应液5进入混沌流微混合器6前，开启流体驱动单元一2，向PTFE管道内连续泵送连续相载流液4；当危险性离子盐结晶完全后从进入样品分离单元，开启注射泵15，对连续相载流液4进行回收，同时开启抽滤装置13对反应液和固体产物进行分离。

实施例2：危险性离子盐三硝基间苯二酚铅的制备

以正十四烷作为连续相载流液4，三硝基间苯二酚镁溶液和硝酸铅溶液作为反应液5；配制0.05mol/L的三硝基间苯二酚镁溶液5mL，调节pH值至4.5，配制0.05mol/L的硝酸钡溶液5mL，调节pH值至5.0，并将两种反应溶液置于流体驱动单元二3中，由计算机控制溶液进样速率为0.5mL/min；同时，将正十四烷置于流体驱动单元一2中，由计算机控制溶液进样速率为2.0mL/min；通过温控装置10设定合成单元温度为65℃，同时，通过温控装置11设定结晶单元温度为30℃；将PTFE管道端口同分离柱12内部10mL刻度线平齐，并连接好单向阀组，注射泵及抽滤装置；开启流体驱动单元二3，推动反应液5流入PTFE管道；待反应液5进入混沌流微混合器6前，开启流体驱动单元一2，向PTFE管道内连续泵送连续相载流液4；当危险性离子盐结晶完全后从进入样品分离单元，开启注射泵15，对连续相载流液4进行回收，同时开启抽滤装置13对反应液和固体产物进行分离。

Claims (6)

1.一种混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，包括依次连接的计算机控制单元，流体驱动单元，混沌流微混合器，嵌段单元，合成单元，结晶单元，样品分离单元，及连接组件；所述的计算机控制单元通过程序控制流体驱动单元；所述的流体驱动单元包括驱动单元一和驱动单元二，驱动单元二驱动反应液至混沌流微混合器实现快速混合，驱动单元一驱动连续相载流液至嵌段单元对反应液进行剪切形成尺寸均匀的液滴进入合成单元；所述的合成单元包括温控装置，盘管器一及盘绕其上的PTFE管道；所述的结晶单元包括温控装置，盘管器二及盘绕其上的PTFE管道；所述的样品分离单元用于实现连续相载流液与反应液、反应液与固体产物的先后分离，样品分离单元包括单向阀组、具有抽取/注入功能的注射泵、自制分离柱、抽滤装置和收集瓶；所述的连接组件为各个单元之间的连接件；所述的混沌流微混合器和嵌段单元可设置多组以并联的方式组合。

2.根据权利要求1所述的混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，所述的嵌段单元的功能结构可以是“T”型结构、“Y”型结构、流动聚焦型结构或共聚焦结构。

3.根据权利要求1所述的混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，所述的合成单元包括温控装置、盘管器一及PTFE管道中；所述盘管器一包括直径90mm的圆柱形铝制套管以及相匹配的外部固定装置；其中铝制套管上雕刻有与PTFE管道尺寸相配的螺旋式凹槽，用于PTFE管道的盘绕，其盘绕长度可调；外部固定装置包括可装配的两部分铝制外壳，相应的位置开有多个通孔用于PTFE管道的长度调控和供PTFE管道通过，同时开有6个直径为6～8mm的螺纹孔，并搭配相应螺丝，起到固定作用。

4.根据权利要求1所述的混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，所述的结晶单元包括温控装置、盘管器二及PTFE管道；所述盘管器二包括直径90mm的圆柱形铝制套管以及相匹配的外部固定装置；其中铝制套管上雕刻有与PTFE管道尺寸相配的螺旋式凹槽，用于PTFE管道的盘绕，其盘绕长度可调；外部固定装置包括可装配的两部分铝制外壳，相应的位置开有多个通孔用于PTFE管道的长度调控和供PTFE管道通过，同时开有6个直径为6～8mm的螺纹孔，并搭配相应螺丝，起到固定作用。

5.根据权利要求1所述的混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，所述的样品分离单元包括单向阀组、分离柱、具有抽吸/注入功能的注射泵，抽滤装置以及收集瓶；其中单向阀组通过设置4个单向阀彼此相连构成，满足连续抽取/注入的回路；单向阀一进口端和单向阀二出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件一的两端相连，单向阀三进口端和单向阀四出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件二的两端相连，单向阀一出口端和单向阀三出口端通过PTFE管道分别与Y型连接件三的两端相连，单向阀二进口端和单向阀四进口端通过PTFE管道分别与Y型连接件四的两端相连，Y型连接件一和Y型连接件二通过PTFE管道分别和注射泵的两端相连接，Y型连接件三通过PTFE管道和收集瓶相连接，Y型连接件四通过PTFE管道和分离柱相连接；其中分离柱由透明硼硅酸玻璃烧制而成，标有刻度，两端带有磨砂法兰边，其尺寸与抽滤装置相匹配，分离柱的下端和抽滤装置通过抽滤夹相连接，并且分离柱上开有小孔用于对产物的清洗。

6.根据权利要求1所述的混沌流与嵌段流相结合的危险性离子盐制备系统，其特征在于，所述并联的方式组合包括2个以上的混沌流微混合芯片、2个以上的嵌段单元及2个以上的合成单元、2个以上的结晶单元及2个以上的样品分离单元，并流体驱动单元分别与并联单元相连接。