CN111921469A - 一种“笔记本型”台阶式乳化或反应微装置模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种“笔记本型”台阶式乳化或反应微装置模块。在乳化或反应过程中，装置放置的方向取决于连续相与分散相密度的大小。该模块由分散相和连续相输送管道、乳化或反应微结构装置、产物运输通道构成。其中，乳化或反应微结构装置由等腰三角型缓冲腔、微通道组、台阶结构和产物收集腔组成，该乳化或反应微结构装置模块能够有效解决两相流分配均匀性的问题以及下游扰动对上游液滴或气泡生成的影响。
Description
技术领域
本发明属于微流控技术领域，具体涉及一种两相流乳化或反应的台阶式微结构装置模块。
背景技术
微米级的微通道尺寸使得微化工设备具有更大的比表面积，可以提高相应工艺的质量和传热效率。微化工工程还可以轻松控制流体的流动和停留时间，实现对有毒、易燃、易爆等化学品的安全生产。微流控芯片装置目前已经实现了商业化应用，例如，美国康宁新研发的G5反应器，实现了单台反应器年通量生产能力1万吨；清华微化工技术课题组，提出了微分散、微混合设备的放大方法，设计了百吨到万吨级的大中型微化工装置，在纳米碳酸钙制备、湿法磷酸净化等过程实现了工业应用。同时，随着技术的不断成熟，微通道装置在生物医药，食品乳化等领域也得到了广泛的应用。
微装置的应用途径取决于微通道的结构设计。随着技术的发展，微通道结构也层出不穷，最常见的有T型、流聚型、共流型以及台阶式微通道结构，也出现了很多形状复杂的特殊功能性通道结构，例如蛇形、千足型以及“太极”型等。其中，基于界面张力自发转化机制的台阶乳化装置，其生成的液滴或气泡尺寸只与通道尺寸、台阶尺寸和分散相与壁面之间的接触角有关，对流体流量的波动不敏感。同时，台阶式微装置结构简单，易于批量加工，对流体驱动方式要求低，有利于工业化放大应用。然而，台阶式微装置的收集腔内分散相颗粒的堆积扰动会影响流体分布的均匀性，影响乳化或反应过程。
发明内容
本发明提供一种“笔记本”型台阶式乳化或反应微装置模块，解决现有技术中流量分布不均匀，以及下游空腔内液滴或气泡群干扰的问题。
本发明的技术方案如下：
一种“笔记本型”台阶式乳化或反应微装置模块，该模块由分散相运输管道和连续相运输管道、台阶式乳化或反应微装置、产物运输通道构成。
分散相通过分散相输送支管道进入台阶式乳化或反应微装置内分散相缓冲腔，连续相通过连续相运输支管道进入产物收集腔，分散相依次经过并行微通道组、台阶结构进入产物收集腔，生成单分散性微液滴或气泡。微小液滴或气泡后经产物输送支通道流入产物运输通道。
所述台阶式乳化或反应微装置由平整未经加工蚀刻的上盖板与经过形状加工处理的下盖板经标准螺栓连接组合而成。产物收集腔分为两个区域，水平的产物收集区与倾斜的产物移出区，产物移出区倾斜的目的是利用分散相与连续相的密度差异性，借助重力或浮力的作用使其快速移出。微装置以分散相输送支管道和连续相输送支管道连心为中心线，是轴对称几何形状，目的是为了提高分散相在各个管路分配的均匀性。分散相输送支管道与连续相输送支管道的入口尽量保持在同一水平线上，连续相输送支管道入口处设置在移出区中心靠下的位置，目的是对冲中心区域较强的分散相推动力，提高分散相在各个微通道内分配的均匀性。分散相缓冲腔设置为等腰三角形，解决类似矩形空腔内进口端两侧角存在滞留区的问题，提高缓冲腔内流动分布的均匀性。
所述台阶式乳化或反应微装置中微通道的尺寸可以数十微米至数百微米之间。根据需求每个装置的微通道的数目可以达到数百至数千个。微装置的尺寸比例如下：微通道宽度(wc)：微通道长度(Lc)：微通道高度(hc)：微通道间距(Lgap)：台阶宽度(wt)＝1:[3,10]:[0.4,1]:[3,8]:[0.8,2]；分散相缓冲腔的高度(Ldc)：等腰三角型缓冲腔的长度(Lt)：产物收集区(Lcc):产物移出区的水平投影长度(Lcr)＝[2,6]:[6,15]:1:[1,3]；此比例下的台阶式乳化或反应微装置，在乳化过程中，空腔内扰动的效应相对较弱。产物移出区的倾斜角度θ>20°，大于此角度有助于产物快速移出，消除液滴或气泡群的干扰作用。
本发明具有以下有益效果：
1.台阶式乳化或反应微装置为对称性结构，可以提高微通道流量分布的均匀性，有助于提高乳化过程中分散相液滴或气泡的单分散性。在产物收集腔内设置两个对称性出口，增强收集腔内流体流动分布的均匀性，避免出现滞留区，影响反应产物的移出。
2.产物收集腔内增设角度倾斜的产物移出区，利用浮力或重力的作用快速移出产物，解决在乳化过程中微气泡或液滴群的干扰作用。
3.工况转换方便。对于需要生成微液滴等分散相密度大于连续相密度的生产工况，我们只需将装置倒置，利用重力协助液滴进入产物运输管道即可。
4.分散相运输管道和连续相运输管道的入口位置设置在微装置中心线上，水平高度一致，连续相高压区对冲分散相高压区，提高各个管道分配的均匀性。
5.分散相缓冲腔设置成等腰三角形的目的是解决类似矩形空腔内进口端两侧角存在滞留区的问题，提高缓冲腔内流动分布的均匀性。
6.台阶结构的设置是发挥台阶式微装置中气泡或液滴自发膨胀的机理。
7.放大方式简单，可以通过串联多个乳化模块的方式，实现工业化生产目标。各模块之间采用标准管件相连，损坏后拆换方便。
本发明在台阶结构的基础上，进一步优化了装置构型设计，改变了进出口位置和空腔的形状，提高了各个通道流体分配的均匀性，并解决了下游空腔内气泡或液滴群的扰动影响。
附图说明
图1是本发明微装置模块示意图；
图2是台阶式乳化或反应微装置示意图；
图3是台阶式乳化或反应微装置技术详解俯视图；
图4是台阶式乳化或反应微装置技术详解侧视图；
图5是台阶式乳化或反应微装置的乳化实验现象图；
图6是本发明微装置乳化的气泡尺寸随产物移出区倾斜角度的演化图；
图中：1分散相运输管道、2台阶式乳化或反应微装置、3连续相运输管道、4产物运输通道、5分散相运输支管道、6分散相缓冲腔、7并行微通道组、8台阶结构、9产物收集腔、10产物输送支通道、11连续相运输支管道、12产物收集区、13产物移出区。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行作详细描述。
本发明“笔记本”型台阶式乳化或反应微装置模块结构如图1和图2所示，分散相依次通过分散相输送管道1和分散相输送支管道5进入分散相缓冲腔6，连续相依次经过连续相输送管道2和连续相运输支管道11进入产物收集腔9。在微装置中，分散相依次经过并行微通道组7、台阶结构8进入产物收集腔9，完成乳化过程，生成单分散性微液滴或气泡。微小液滴或气泡后经产物输送支通道10流入产物运输通道4。
如图3所示，根据需求每个装置的微通道的数目可以达到数百至数千个。微装置的尺寸比例如下：微通道宽度(wc)：通道长度(Lc)：通道高度(hc)：通道间距(Lgap):台阶宽度(wt)＝1:[3,10]:[0.4,1]:[3,8]:[0.8,2]。经相关实验验证，在此比例下可生成均一性较好的液滴或是气泡，如附图5所示。等腰三角型缓冲腔的高度(Ldc)：等腰三角型缓冲腔的长度(Lt)：产物收集区(Lcc):产物移出区的水平投影长度(Lcr)＝[2,6]:[6,15]:1:[1,3]。此比例下的微装置，在乳化过程中，空腔内扰动的效应相对较弱。如图4所示，产物移出区13的倾斜角度θ>20°，此角度有助于产物快速移出，消除液滴或气泡群的干扰作用。角度的选取来源于单微通道台阶乳化装置的实验验证，如附图6所示，当倾斜角度超过20°时，气泡可以稳定排出，气泡尺寸稳定。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种“笔记本型”台阶式乳化或反应微装置模块，其特征在于该模块由分散相运输管道(1)和连续相运输管道(3)、台阶式乳化或反应微装置(2)、产物运输通道(4)构成；分散相通过分散相运输支管道(5)进入分散相缓冲腔(6)，连续相通过连续相运输支管道(11)进入产物收集腔(9)，分散相依次经过并行微通道组(7)、台阶结构(8)进入产物收集腔(9)，生成单分散性微液滴或气泡，微小液滴或气泡后经产物输送支通道(10)流入产物运输通道(4)。
2.根据权利要求1所述台阶式乳化或反应微装置模块，其特征在于，所述微装置模块由平整未经加工蚀刻的上盖板与经过形状加工处理的下盖板经标准螺栓连接组合而成；产物收集腔(9)分为两个区域，水平的产物收集区(12)与倾斜的产物移出区(13)；微装置以分散相输送支管道(5)和连续相运输支管道(11)连心为中心线，是轴对称几何形状；分散相输送支管道(5)和连续相运输支管道(11)的入口尽量保持在同一水平线上，连续相运输支管道(11)入口处设置在移出区中心靠下的位置；分散相缓冲腔(6)设置为等腰三角形。
3.根据权利要求2所述台阶式乳化或反应微装置模块，其特征在于，所述微装置的尺寸比例如下：微通道宽度(wc)：微通道长度(Lc)：微通道高度(hc)：微通道间距(Lgap):台阶宽度(wt)＝1:[3,10]:[0.4,1]:[3,8]:[0.8,2]；分散相缓冲腔的长度(Ldc)：分散相缓冲腔的宽度(Lt)：产物收集区(Lcc):产物移出区的水平投影长度(Lcr)＝[2,6]:[6,15]:1:[1,3]；产物移出区(13)的倾斜角度θ>20°。
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