CN112495300A - 微喷嘴阵列膜及微液滴生成装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微喷嘴阵列膜及包括该微喷嘴阵列膜的微液滴生成装置，涉及化学化工设备技术领域，其中微喷嘴阵列膜包括膜体，膜体上设置有多个微米通孔，膜体上沿各微米通孔的出口端周向均形成有环形微槽。环形微槽的设置阻隔了分散相在膜表面的铺展，加快了液滴在膜表面的脱离，并减轻了聚并现象，从而使液滴群尺寸更小，分布更窄，一次分散效果更好。

Description

微喷嘴阵列膜及微液滴生成装置

技术领域

本发明涉及化学化工设备技术领域，特别是涉及一种微喷嘴阵列膜及微液滴生成装置。

背景技术

液-液混合过程在化学、化工、石化、医药和食品等众多领域的应用非常广泛。分散相液滴的尺寸是传质和反应强化的基础，尺寸越小，传质系数越大，反应就越容易进行。传统搅拌式反应器或混合器设备中，液滴分散尺度在毫米级甚至更大尺度，导致混合效率低下。近年来随着微加工技术的进步，含有微米孔阵列膜的膜分散微混合器得到了广泛应用，其结构特点是混合通道尺寸较小，连续相能够提供较大剪切力；相分散介质膜具有微米级阵列孔，其材质可以是有机膜、陶瓷膜或金属膜等。膜分散微混合器可以高通量生成微液滴群，是一种乳液制备和非均相体系混合的高效设备，其原理是分散相在压差驱动下透过多孔膜，在膜孔出口处被连续相错流剪切生成微液滴。

微米孔阵列平板膜如图6-图7所示，由于方便调节孔径和孔间距，常常被用作膜分散微混合器的相分散介质膜。然而在液滴生成过程中，分散相往往会在微米孔阵列平板膜表面铺展，液滴脱离膜表面所需的时间较长，且多个相邻微米孔生成的液滴在膜表面易发生聚并，最终导致形成的液滴群尺寸较大且分散性差。特别是无表面活性剂环境下，分散相在连续相中对膜材料的接触角较小时(小于130°)，膜表面甚至不会生成液滴。

因此，如何加快液滴在膜表面的脱离，并减轻聚并现象成为本领域技术人员目前所亟待解决的问题。

发明内容

为解决以上技术问题，本发明提供一种微喷嘴阵列膜及微液滴生成装置，以加快液滴在膜表面的脱离，并减轻聚并现象。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种微喷嘴阵列膜，包括膜体，所述膜体上设置有多个微米通孔，所述膜体上沿各所述微米通孔的出口端周向均形成有环形微槽。

优选地，任意相邻的两个所述环形微槽均相互连通。

优选地，多个所述微米通孔均匀设置于所述膜体上。

优选地，所述膜体面积为2×10^-7-0.5m²，所述微米通孔水力学直径为1-1000μm，所述膜体开孔率为0.1-20％、且孔间距为5-2000μ m；所述微米通孔中心到其所对应的所述环形微槽边缘的距离为所述微米通孔水力学直径的0.5-10倍，所述环形微槽的宽度与相邻两个所述微米通孔孔间距的比值为0.01-1，所述环形微槽的深度为1-1000 μm。

优选地，所述微米通孔为锥形孔，且所述微米通孔的出口端尺寸小于所述微米通孔的进口端尺寸。

优选地，所述锥形孔的锥度为2:1-1:40。

优选地，所述环形微槽的形状为长方形、圆形以及多边形中的一种或多种。

本发明还提供一种微液滴生成装置，包括主体以及所述的微喷嘴阵列膜，所述主体内部设置有混合通道，所述主体的两端设置有分别与所述混合通道的两端相连通的主进液通道和混合出液通道，所述主体的侧壁上设置有侧进液通道，所述侧进液通道通过所述微喷嘴阵列膜与所述混合通道相连通，且所述微米通孔的进口端和出口端分别与所述侧进液通道和所述混合通道相对设置。

优选地，微液滴生成装置还包括液体分布室，所述液体分布室与所述侧进液通道同轴设置，所述液体分布室的一端与所述混合通道相连通、另一端与所述侧进液通道相连通，且所述液体分布室的横截面尺寸大于所述侧进液通道的横截面尺寸，所述微喷嘴阵列膜设置于所述液体分布室内。

优选地，所述混合通道的宽度为0.2-200mm，高度与宽度比值为 0.1-10，且所述液体分布室与所述混合通道的最大压差小于1.5MPa。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

本发明提供的微喷嘴阵列膜及包括该微喷嘴阵列膜的微液滴生成装置，微喷嘴阵列膜包括膜体，膜体上设置有多个微米通孔，膜体上沿各微米通孔的出口端周向均形成有环形微槽。环形微槽的设置阻隔了分散相在膜表面的铺展，加快了液滴在膜表面的脱离，并减轻了聚并现象，从而使液滴群尺寸更小，分布更窄，一次分散效果更好。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中提供的微喷嘴阵列膜环形微槽为长方形结构时的剖视图；

图2为本发明实施例中提供的微喷嘴阵列膜环形微槽为圆形时的俯视图；

图3为本发明实施例中提供的微喷嘴阵列膜环形微槽为正六边形时的俯视图；

图4为本发明实施例中提供的微喷嘴阵列膜表面生成液滴过程的示意图；

图5本发明实施例中提供的微液滴生成装置的结构示意图；

图1-图5附图标记说明：1、微喷嘴阵列膜；101、膜体；102、微米通孔；103、环形微槽；2、混合通道；3、液体分布室；4、侧进液通道；5、主进液通道；6、混合出液通道；7、主体；8、液滴。

图6为本发明微米孔阵列平板膜的结构示意图；

图7为现有技术中微米孔阵列平板膜表面生成液滴过程的示意图；

图6-图7附图标记说明：1、微米孔阵列平板膜；2、微米孔；3、液滴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种能够加快液滴在膜表面的脱离，并减轻聚并现象的微喷嘴阵列膜及微液滴生成装置。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参考图1-图4所示，本实施例提供一种微喷嘴阵列膜，包括膜体 101，膜体101上设置有多个微米通孔102，膜体101上沿各微米通孔102的出口端周向均形成有环形微槽103。环形微槽103的设置阻隔了分散相在膜表面的铺展，加快了液滴8在膜表面的脱离，并减轻了聚并现象，从而使液滴8群尺寸更小，分布更窄，一次分散效果更好。

于本实施例中，任意相邻的两个环形微槽103均相互连通。如此设置，能够更好地阻隔分散相在膜表面的铺展，且液滴8能够更快地与膜表面分离。

于本实施例中，多个微米通孔102均匀设置于膜体101上。具体如何均匀设置属于现有技术。例如，矩形阵列和交错阵列设置方式。进一步地，膜体101面积为2×10^-7-0.5m²，微米通孔102水力学直径为1-1000μm，膜体101开孔率为0.1-20％、且孔间距为5-2000μm；微米通孔102中心到其所对应的环形微槽103边缘的距离为微米通孔 102水力学直径的0.5-10倍，环形微槽103的宽度与相邻两个微米通孔102孔间距的比值为0.01-1，环形微槽103的深度为1-1000μm。

需要说明的是在保持微米通孔102具有一定壁厚的情况下，环形微槽103的宽度越大越好，最好如图1所示，将多余材料全部去除(多余材料指的是膜体101对应于微喷通孔出口端的一端除保持微米通孔102壁厚所需要的材料以外的剩余材料)，形成“凸”型微喷嘴阵列结构。

于本实施例中，微米通孔102为锥形孔，且微米通孔102的出口端尺寸小于微米通孔102的进口端尺寸。进一步地，锥形孔的锥度为2:1-1:40。

于本实施例中，环形微槽103的形状为长方形、圆形以及多边形中的一种或多种。具体地，图1环形微槽103的形状为长方形，图2 中环形微槽的形状为圆形，图3中环形微槽的形状为正六边形。

如图5所示，本实施例还提供一种微液滴生成装置，包括主体7 以及微喷嘴阵列膜1，主体7内部设置有混合通道2，主体7的两端设置有分别与混合通道2的两端相连通的主进液通道5和混合出液通道6，主体7的侧壁上设置有侧进液通道4，侧进液通道4通过微喷嘴阵列膜1与混合通道2相连通，且微米通孔102的进口端和出口端分别与侧进液通道4和混合通道2相对设置。

具体使用过程中待分散液体(分散相)由侧进液通道4进入微液滴生成装置，透过微喷嘴阵列膜1，在混合通道2的一侧，被从主进液通道5进入设备的流体(连续相)错流剪切生成微液滴群，混合产物通过混合通道2离开。

于本实施例中，微液滴生成装置还包括液体分布室3，液体分布室3与侧进液通道4同轴设置，液体分布室3的一端与混合通道2相连通、另一端与侧进液通道4相连通，且液体分布室3的横截面尺寸大于侧进液通道4的横截面尺寸，微喷嘴阵列膜1设置于液体分布室3内。

于本实施例中，混合通道2的宽度为0.2-200mm，高度与宽度比值为0.1-10，且液体分布室3与混合通道2的最大压差小于1.5MPa。

于本实施例中，主进液通道5、混合通道2和混合出液通道6三者同轴设置，主进液通道5和混合出液通道6的横截面尺寸均大于混合通道2的横截面尺寸，且主进液通道5和混合出液通道6的横截面尺寸相同。

下面结构具体实例来详细结合本实施例提供的微喷嘴阵列膜1 及微液滴生成装置：

具体实例一

使用水作为连续相，正己烷作为分散相。微液滴生成装置中含有一个厚度为0.2mm，开孔率为0.78％，膜体101面积为5×10^-7m²的微喷嘴阵列膜1，膜体101上具有1组10×20矩形阵列微米通孔102，微米通孔102的水力学直径为5μm，锥度为1:20，孔间距为50μm。环形微槽103的形状为长方形，且任意相邻的两个环形微槽103均相互连通，微米通孔102中心到其所对应的环形微槽103边缘的距离为 12μm，环形微槽103平均宽度为26μm，环形微槽103平均深度为 20μm。混合通道2宽1.0mm高8.0mm，混合通道2中流体平均速度为1.3m/s，膜体101通量为1.2×10⁵L/m²/h，液体分布室3与混合通道2压差为291kPa，测得正己烷微液滴平均直径为35μm。

具体实例二：

使用水作为连续相，二氯甲烷作为分散相。微液滴生成装置中含有一个厚度为0.1mm，开孔率为1.09％，膜体101面积为2.88×10^-6m²的微喷嘴阵列膜1，膜体101上具有1组39/40交错阵列微米通孔102，微米通孔102的水力学直径为5μm，锥度为1:10，孔间距为42μm。环形微槽103的形状为圆形，微米通孔102中心到其所对应的环形微槽103边缘的距离为10μm，环形微槽103平均宽度为10μm，环形微槽103平均深度为20μm。混合通道2宽2.0mm高3.0mm，混合通道2中流体平均速度为1.0m/s，膜体101通量为8.3×10⁴L/m²/h，液体分布室3与混合通道2压差为149kPa，测得二氯甲烷微液滴平均直径为27μm。

具体实例三：

使用水作为连续相，乙酸乙酯作为分散相。微液滴生成装置中含有一个厚度为0.2mm，开孔率为1.39％，膜体101面积为1×10^-3m²的微喷嘴阵列膜1，膜体101上具有1组700×1700矩形阵列微米通孔102，微米通孔102的水力学直径为4μm，锥度为1:25，孔间距为30μm。环形微槽103的形状为长方形，且任意相邻的两个环形微槽103均相互连通，微米通孔102中心到其所对应的环形微槽103 边缘的距离为5μm，环形微槽103平均宽度为20μm，环形微槽103 平均深度为10μm。混合通道2宽6mm高22mm，混合通道2中流体平均速度为1.8m/s，膜体101通量为4.3×10⁴L/m²/h，液体分布室 3与混合通道2压差为200kPa，测得乙酸乙酯微液滴平均直径为23 μm。

本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微喷嘴阵列膜，其特征在于，包括膜体，所述膜体上设置有多个微米通孔，所述膜体上沿各所述微米通孔的出口端周向均形成有环形微槽。

2.根据权利要求1所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，任意相邻的两个所述环形微槽均相互连通。

3.根据权利要求2所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，多个所述微米通孔均匀设置于所述膜体上。

4.根据权利要求3所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，所述膜体面积为2×10^-7-0.5m²，所述微米通孔水力学直径为1-1000μm，所述膜体开孔率为0.1-20％、且孔间距为5-2000μm；所述微米通孔中心到其所对应的所述环形微槽边缘的距离为所述微米通孔水力学直径的0.5-10倍，所述环形微槽的宽度与相邻两个所述微米通孔孔间距的比值为0.01-1，所述环形微槽的深度为1-1000μm。

5.根据权利要求1所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，所述微米通孔为锥形孔，且所述微米通孔的出口端尺寸小于所述微米通孔的进口端尺寸。

6.根据权利要求5所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，所述锥形孔的锥度为2:1-1:40。

7.根据权利要求1所述的微喷嘴阵列膜，其特征在于，所述环形微槽的形状为长方形、圆形以及多边形中的一种或多种。

8.一种微液滴生成装置，其特征在于，包括主体以及如权利要求1-7任一项所述的微喷嘴阵列膜，所述主体内部设置有混合通道，所述主体的两端设置有分别与所述混合通道的两端相连通的主进液通道和混合出液通道，所述主体的侧壁上设置有侧进液通道，所述侧进液通道通过所述微喷嘴阵列膜与所述混合通道相连通，且所述微米通孔的进口端和出口端分别与所述侧进液通道和所述混合通道相对设置。

9.根据权利要求8所述的微液滴生成装置，其特征在于，还包括液体分布室，所述液体分布室与所述侧进液通道同轴设置，所述液体分布室的一端与所述混合通道相连通、另一端与所述侧进液通道相连通，且所述液体分布室的横截面尺寸大于所述侧进液通道的横截面尺寸，所述微喷嘴阵列膜设置于所述液体分布室内。

10.根据权利要求9所述的微液滴生成装置，其特征在于，所述混合通道的宽度为0.2-200mm，高度与宽度比值为0.1-10，且所述液体分布室与所述混合通道的最大压差小于1.5MPa。

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