CN111036130B - 一种微结构传质设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于化学的一般方法领域的一种微结构传质设备；包括顺序紧密连接的流体分配段、流体混合段和混合流体收集段，其中第二流体混合段由N块混合流体导流板和N‑1块流体分隔板由上至下以循环交错的方式堆叠组成；混合流体导流板的中部设有流体缓冲室和第二流体进口通道，其中第二流体进口通道位于流体缓冲室的一侧；流体缓冲室临近流体分隔板的一侧设有出口，流体缓冲室的出口处安装有流体分散介质；流体分隔板的上下端面上分别开多个通道槽，通道槽引导进入的流体先分流，最后再汇合。本发明的流道通过两级、两维度放大，将第一流体流道分隔为数个毫米级别的微流道，有助于实现连续相流体与分散相流体的高效剪切混合与微米级别的分散。

Description

一种微结构传质设备

技术领域

本发明属于化学的一般方法技术领域，具体为一种微结构传质设备。

背景技术

随着技术的进步，化工生产过程中的诸多设备通过结构的改进，不断强化过程的流动、传热、传质性能。其中，微化工已成为化工过程强化的重要手段。通过将混合尺度由传统设备的毫米级别降至微米级别，可以扩大比表面积、提高浓度梯度，显著促进短时间内的热交换和混合。在微反应器提供的限域空间内，传热、传质系数可较常规设备提高1-3个数量级。同时，由于限域空间内介质均匀、体积小，为微型反应器或混合器保证了固有安全性，为危险、剧烈的混合、反应过程提供了良好的平台。通过微反应器或混合器的数目放大，不但克服了传统化工生产过程中由于放大带来的反应、混合性能的下降，还能同时实现大规模的连续流动生产，并减少前期固定资产投入与生产过程中的操作能耗。

基于微化工的思路，近年微型化的混合、反应设备层出不穷，但基本都存在狭窄、曲折的内部流道，一方面限制了反应或混合过程中的流体固含量、粘度的进一步提升，另一方面由于死区的存在，使得部分反应或混合空间无法充分发挥其效率。因此，基于微型反应器或混合器提高混合、传递效率的基本原理，开发出适用于高固含量、高粘度流体的制备、输送的高效微结构传质设备，以灵活适应于化工生产的不同要求；同时适用于高固含量、高粘度流体的高效混合。

发明内容

针对背景技术中存在的问题，本发明提供了一种微结构传质设备，其特征在于，包括顺序紧密连接的流体分配段、流体混合段和混合流体收集段，其中流体分配段位于上游位置，第二流体混合段由N块混合流体导流板和N-1块流体分隔板由上至下以循环交错的方式堆叠组成，堆叠后的混合流体导流板和流体分隔板采用外包构件压力紧固的方式固定贴合，成为一个完整的第二流体混合段，N大于等于3；

所述混合流体导流板为平板结构，混合流体导流板的中部设有流体缓冲室和第二流体进口通道，其中第二流体进口通道位于流体缓冲室的一侧；流体缓冲室临近流体分隔板的一侧设有出口，流体缓冲室的出口处安装有流体分散介质；

所述流体分隔板为平板结构，上下端面上分别开多个通道槽，通道槽引导进入的流体先分流，最后再汇合；流体分隔板为三轴对称结构，其上设置的通道槽上下对称。

所述通道槽的数量为2-20个。

在两根通道槽间的流体分隔板的厚度为2-5mm。

所述通道槽的俯视呈V形，通道槽在V形的拐角处截面积最大，V形的拐角处设置在流体分隔板的中部，且V形的拐角处与流体缓冲室的出口位置相对应；

所述通道槽深度为0.5-3mm，通道槽的最大宽度为2-6mm。

流体分配段、流体混合段和混合流体收集段紧密连接连接的方式为：以外部压力紧固的方式依次将流体分配段和流体混合段顺序贴合在混合流体收集段的两端外。

所述流体缓冲室为上下贯通的结构或者单侧设有出口的结构，其中位于两端的合流体导流板中的流体缓冲室为单侧设有出口的结构，其他混合流体导流板为上下贯通的结构；上或下端开有出口的结构为：流体缓冲室仅向流体分隔板的一侧贯通设有出口；而上下贯通的结构为：两侧贯通且设上下两侧都有出口。

所述流体分配段包括顺序设置的第一流体进口通道和多条第一流体分配通道；其中第一流体进口通道位于上游，各条第一流体分配通道均为等截面直通道。

所述第一流体分配通道的数量为2-20个。

所述混合流体收集段包括顺序设置的多条混合流体并流通道和混合流体出口管，每条混合流体并流通道都与一块流体分隔板相通。

本发明的有益效果在于：

1.连续相流体的流道为直通结构，减少传统微结构的诸多死角，充分避免传统微反应器或混合器易堵的问题。

2.流道通过两级、两维度放大，将第一流体流道分隔为数个毫米级别的微流道，有助于实现连续相流体与分散相流体的高效剪切混合与微米级别的分散。

3.该微结构采用依次堆叠、外部紧固的方式，不但流道分配数量可根据具体生产要求灵活装配，且在避免流体短路、流体泄露的同时，实现内部结构的灵活设计、清洗、更换，适应于不同的操作条件与固含量、粘度要求，结构易于加工。

4.通过避免传统微结构的复杂流道与死角，适用于高固含量或高粘流体在微反应、微混合中的应用。

5.用于含固流体或高粘流体的混合或反应过程，且对于不同的操作条件、生产要求具有良好的灵活适应性，易于加工、数量放大。

附图说明

图1为本发明一种微结构传质设备实施例的垂直剖面图；

图2为图1在A-A剖面的剖面图；

图3为图1在B-B剖面的剖面图；

图4为本发明实施例的水平剖面图。

其中：

1-流体分配段，2-流体混合段，3-混合流体收集段，4-第一流体进口通道，5-第一流体分配通道，6-流体分隔板，7-混合流体导流板，8-通道槽，9-第二流体进口通道，10-流体缓冲室，11-流体分散介质，12-混合流体并流通道，13-混合流体出口管。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的详细说明。

如图1所示的本发明实施例，包括顺序紧密连接的流体分配段1、流体混合段2和混合流体收集段3，其中流体分配段1位于上游位置，第二流体混合段2由N块混合流体导流板7和N-1块流体分隔板6由上至下以循环交错的方式堆叠组成，堆叠后的混合流体导流板7和流体分隔板6采用外包构件压力紧固的方式固定贴合，成为一个完整的第二流体混合段2，流体分隔板6和混合流体导流板7的外形相匹配，N大于等于3。

混合流体导流板7为平板结构，混合流体导流板7的中部设有流体缓冲室10和第二流体进口通道9，其中第二流体进口通道9位于流体缓冲室10的一侧，流体缓冲室10的出口处安装有流体分散介质11；流体缓冲室10临近流体分隔板6的一侧设有出口；

对于位于两端的混合流体导流板7，混合流体导流板7中的流体缓冲室10为单侧设有出口的结构；对于位于两块流体分隔板6之间的进口板，流体缓冲室10为上下贯通结构。

工作时，第二流体经第二流体进口通道9进入流体缓冲室10后，经流体分散介质11分配到上或下方流体分隔板6的通道槽8中。

流体分隔板6为平板结构，上下端面上分别开多个俯视呈V形的通道槽8，通道槽8引导由流体分配段1中第一流体分配通道5流入的第一流体先分流，最后再汇合；通道槽8在V形的拐角处截面积最大，V形的拐角处设置在流体分隔板6的中部，且与流体缓冲室10的出口位置相对应；流体分隔板6为三轴对称结构，其上设置的通道槽8上下对称；所使用的第一流体悬浮液的主体为氟化钙悬浮液，固含量5-10％wt，还有各种浮选药剂。

流体分隔板6中单侧的通道槽8深度为0.5-3mm，在两根通道槽8间的流体分隔板的厚度为2-5mm，通道槽8的最大宽度为2-6mm，相邻通道槽8的间壁的最大厚度为2-6mm。

在本实施例中，通道槽8的数量为2-20个，具体为4个；

在本实施例中，流体分配段1、流体混合段2和混合流体收集段3紧密连接连接的方式为：以外部压力紧固的方式依次将流体分配段1和流体混合段2顺序贴合在混合流体收集段3的两端外；

在本实施例中，N＝5，即由上至下具体设置有五块混合流体导流板7和四块流体分隔板6，循环交错堆叠的方式为混合流体导流板7、流体分隔板6、混合流体导流板7、流体分隔板6、混合流体导流板7、流体分隔板6、混合流体导流板7、流体分隔板6和混合流体导流板7；

在本实施例中，流体分散介质11是微滤膜或微筛孔板。

如图2所示的流体缓冲室10为上下贯通的结构或者单侧设有出口的结构，其中位于两端(最上端和最下端)的合流体导流板7中的流体缓冲室10为单侧(上或下端)设有出口的结构，其他混合流体导流板7为上下贯通的结构；上或下端开有出口的结构为：流体缓冲室10仅向流体分隔板6的一侧贯通设有出口；而上下贯通的结构为：两侧贯通且设上下两侧都有出口。

如图1所示的流体分配段1包括顺序设置的第一流体进口通道4和多条第一流体分配通道5；其中第一流体进口通道4位于上游，各条第一流体分配通道5均为等截面直通道；

工作时，第一流体经流体分配段1的第一流体分配通道5分配后，进入各个流体分隔板6上下方的通道槽8中。

在本实施例中，流体分配段1上第一流体分配通道5的数量为2-20个，具体为4个。

如图1所示混合流体收集段3包括顺序设置的多条混合流体并流通道12和混合流体出口管13，其中混合流体并流通道12的数目与第一流体分配通道5以及与一块流体分隔板6相同；每条混合流体并流通道12都与一块流体分隔板6相通。

在本实施例中，所使用的每块流体分隔板6在上下面上均开有12个深度为2mm，宽度的最大宽度为2mm，长度为20mm的通道槽8，两条通道槽8间的距离(此处流体分隔板6的厚度)为2mm，相邻通道槽8间的最大壁厚为2mm。流体缓冲室的体积为224mm³，流体分散介质11选用平均孔径为5μm的微滤膜，第一流体悬浮液采用此微结构混合器浮选固含量为4wt％的氟化钙矿粉悬浮液，第一流体进口通道流速为3200mL/min，第二流体即气体的通入量为960mL/min，可连续稳定运行。

本实施例工作时，由第一流体悬浮液由流体分配段首先分流为4条流道，并分别流入各条中通道槽8，随后第二流体悬浮液经第二流体进口通道9分散流入各流体缓冲室10，经流体分散介质11过滤后流入通道槽8与第一流体悬浮液混合或反应，混合流体自混合流体收集段中并流出。

一次流过本实施例的浮选产物，经分析其氟化钙纯度可达99.39％。

本实施例依次在两个维度上将单一的第一进口流道在截面不突变的情况下，分隔为多个在空间上分开的子通道，利用相邻的混合流体导流板上安装的流体分散介质，使第二流体分散进入子通道，与第一流体发生混合或反应。本实施例拆卸、拼接灵活，易于加工与放大，可以在实现高效混合的同时，避免了微结构设备中的流动死区，从而有效突破固含量、粘度等对微结构设备使用的限制，提高连续生产过程的稳定性、可靠性。

Claims (5)

1.一种微结构传质设备，由流体分配段(1)、流体混合段(2)和混合流体收集段(3)组成，其中流体分配段(1)位于上游位置，第二流体混合段(2)由N块混合流体导流板(7)和N-1块流体分隔板(6)由上至下以循环交错的方式堆叠组成，所述混合流体导流板(7)的中部设有流体缓冲室(10)和第二流体进口通道(9)，其中第二流体进口通道(9)位于流体缓冲室(10)的一侧；流体缓冲室(10)临近流体分隔板(6)的一侧设有出口，流体缓冲室(10)的出口处安装有流体分散介质(11)，其特征在于，所述流体分配段(1)、流体混合段(2)和混合流体收集段(3)顺序紧密连接；堆叠后的混合流体导流板(7)和流体分隔板(6)采用外包构件压力紧固的方式固定贴合，成为一个完整的第二流体混合段(2)，N大于等于3；

所述流体分隔板(6)为平板结构，上下端面上分别开多个通道槽(8)，通道槽(8)引导进入的流体先分流，最后再汇合；流体分隔板(6)为三轴对称结构，其上设置的通道槽(8)上下对称；所述通道槽(8)的俯视呈V形，通道槽(8)在V形的拐角处截面积最大，V形的拐角处设置在流体分隔板(6)的中部，且V形的拐角处与流体缓冲室(10)的出口位置相对应，所述通道槽(8)的数量为2-20个，所述通道槽(8)深度为0.5-3mm，通道槽(8)的最大宽度为2-6mm；

所述流体分配段(1)包括顺序设置的第一流体进口通道(4)和多条第一流体分配通道(5)；其中第一流体进口通道(4)位于上游，各条第一流体分配通道(5)均为等截面直通道；第一流体经流体分配段(1)的第一流体分配通道(5)分配后，进入各个流体分隔板(6)上下方的通道槽(8)中；连续相流体的流道为直通结构；所述第一流体由氟化钙矿粉悬浮液和浮选药组成，第一流体的固含量为5-10wt％；所述第二流体为气体；

所述混合流体收集段(3)包括顺序设置的多条混合流体并流通道(12)和混合流体出口管(13)，每条混合流体并流通道(12)都与一块流体分隔板(6)相通；

依次在两个维度上将单一的第一进口通道(4)在截面不突变的情况下，分隔为多个在空间上分开的子通道，利用相邻的混合流体导流板上安装的流体分散介质，使第二流体分散进入通道槽(8)，与第一流体发生混合或反应，避免了微结构设备中的流动死区。

2.根据权利要求1所述的一种微结构传质设备，其特征在于，在两根通道槽(8)间的流体分隔板的厚度为2-5mm。

3.根据权利要求1所述的一种微结构传质设备，其特征在于，流体分配段(1)、流体混合段(2)和混合流体收集段(3)紧密连接连接的方式为：以外部压力紧固的方式依次将流体分配段(1)和流体混合段(2)顺序贴合在混合流体收集段(3)的两端外。

4.根据权利要求1所述的一种微结构传质设备，其特征在于，所述流体缓冲室(10)为上下贯通的结构或者单侧设有出口的结构，其中位于两端的合流体导流板(7)中的流体缓冲室(10)为单侧设有出口的结构，其他混合流体导流板(7)为上下贯通的结构；上或下端开有出口的结构为：流体缓冲室(10)仅向流体分隔板(6)的一侧贯通设有出口；而上下贯通的结构为：两侧贯通且设上下两侧都有出口。

5.根据权利要求1所述的一种微结构传质设备，其特征在于，所述第一流体分配通道(5)的数量为2-20个。

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