CN114102853A - 一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置及其应用 - Google Patents

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张劲松
张晔
高勇
田冲
杨振明
杨晓丹
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Abstract

本发明涉及静态混合装置领域，具体地说是一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置及其应用。该静态混合装置由管状容器和填充于管状容器中的混合元件构成，其中混合元件全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。本发明的有益效果在于，综合利用流体在流经泡沫网络骨架时产生的圆柱绕流与流体在三维连通的泡沫空腔中的体积变化，引起待混合流体不断的分散与聚集，提高混合效率。同时，陶瓷材料具有耐高温，耐有机溶胀，耐化学腐蚀的优点，保证了装置的使用稳定性，可用于多种服役环境。该静态混合装置操作简单，便于自动化运行与清洗维护，具有良好的应用前景。

Description

一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置及其应用
技术领域
本发明涉及静态混合装置领域，具体地说是一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置及其应用。
背景技术
混合是指用机械的或流体动力的方法，使两种或多种物料相互分散而达到一定均匀程度的单元操作，广泛应用于湿法冶金、生物医药、石油化工、食品工业等领域。然而，传统的工业混合装置存在着占地面积大、处理时间长、混合效率低、能耗高等诸多不足。因此，高效、节能的混合装置的开发与应用已逐渐成为研究热点。
静态混合器是20世纪70年代初开始发展的一种没有运动部件的被动式混合装置，其基本原理是利用固定在管内、柱内或反应器内的无动力结构单元来改变流体的流动状态，从而达到不同流体之间或同一流体内不同组分之间良好分散与充分混合的目的。静态混合器适用于很宽的流体粘度范围(～106mPa·s)，能在层流、过度流、紊流等不同流型下，进行间歇操作或连续操作，主要应用于均化过程、强化传热、强化传质、强化化学反应过程。由于具有装置小型化、操作简易、节约能源等诸多优点，静态混合器受到广泛关注。然而，目前静态混合器仍面临若干技术问题：结构方面，流体易出现返混且分散粒度难以控制，导致混合效率较低，混合段较长；材料方面，常见静态混合器的构成材料不耐高温、不耐有机溶胀与化学腐蚀，限制了其服役行为。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置及其应用，解决现有技术中混合效率低、材料不耐高温与腐蚀、能耗高、设备占用空间大等问题。
本发明的技术方案如下：
一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，该静态混合装置由管状容器和填充于管状容器中的混合元件构成，其中混合元件全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。
所述混合元件的宏观形状是以下形状中的一种或两种以上的组合：圆柱状、圆片或半圆片状、圆环或圆筒状、圆锥或圆锥筒状、圆台或圆台筒状、扭转螺旋片状、螺旋状、叠层波纹片状、多叶螺旋桨状。
所述三维开孔泡沫陶瓷材料的网孔尺寸为5ppi～100ppi，孔隙率为5％～95％。
所述三维开孔泡沫陶瓷材料，其网孔尺寸和/或孔隙率是均匀的或不均匀的。
所述三维开孔泡沫陶瓷材料的组成材质含有碳化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅中的一种或两种以上。
所述管状容器的组成材质为金属或合金、玻璃、有机高分子材料、陶瓷材料中的一种或两种以上。
所述静态混合装置应用于液-液混合、气-液混合、气-气混合或气-固混合。
所述静态混合器装置应用于萃取、均相催化反应、多相催化反应、传热或换热、水处理。
本发明的设计思想是：
三维开孔泡沫陶瓷材料是一种具有网络骨架结构的多孔材料，其三维连通的空腔可以作为流体通道，而泡沫骨架可以对流体的流动进行打散与变向，实现高效的静态混合功能。同时，陶瓷材料具有耐高温，耐有机溶胀，耐化学腐蚀的优点。因此，针对现有静态混合技术的不足，结合三维开孔泡沫陶瓷材料的结构与材料优点，将其引入静态混合器的结构设计中，成功研制出一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置。
本发明具有如下优点及有益效果：
1、本发明所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其混合元件由三维开孔泡沫陶瓷材料构成，综合利用流体在流经泡沫网络骨架时产生的圆柱绕流与流体在三维连通的泡沫空腔中的体积变化，引起待混合流体不断的分散与聚集，实现待混合流体之间的较高接触面积与较大接触概率，从而提高混合效率；
2、本发明使用的陶瓷材料具有耐高温，耐有机溶胀，耐化学腐蚀的优点，保证了该静态混合装置的使用稳定性，可用于多种服役环境；
3、本发明所述的静态混合装置，简单实用，便于自动化运行与清洗维护。
附图说明
图1为本发明所述的代表性的三维开孔泡沫静态混合装置示意图。其中，(a)图为主视图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，该区域为三维开孔泡沫陶瓷骨架横断面。图中，1混合元件；2管状容器；3入口法兰；4出口法兰；5三维开孔泡沫陶瓷骨架；6泡沫内部三维连通网孔。
图2为本发明所述静态混合装置使用的一种三维开孔泡沫陶瓷混合元件的宏观形貌，该图中所示的混合元件的宏观形状为圆柱状。
图3为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为相交半圆片状，相交半圆片的夹角0°＜θ＜180°，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图4为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为圆筒状，其横截面中镂空的形状包括且不限于圆形、三角形、四边形以及其他多边形，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图5为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为圆锥状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图6为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为圆台状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图7为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为镂空圆台状，其横截面中镂空的形状包括且不限于圆形、三角形、四边形以及其他多边形，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图8为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为扭转螺旋片状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图9为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为螺旋状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图10为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为叠层波纹片状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)图为混合元件宏观形状示意图；(b)图为(a)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图11为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为多叶螺旋直桨状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)、(b)图为混合元件宏观形状示意图，桨叶数量为介于1到12之间的自然数，桨叶分布可以是对称的或非对称的，桨叶形状可以是均匀的或非均匀的；(b)图相比(a)图在混合元件的中心进行了镂空处理，其横截面中镂空的形状包括且不限于圆形、三角形、四边形以及其他多边形；(c)图为(a)、(b)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
图12为本发明所述静态混合装置使用的一种混合元件，其宏观形状为多叶螺旋斜桨状，其构成材料全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。其中，(a)、(b)图为混合元件宏观形状示意图，桨叶数量为介于1到12之间的自然数，桨叶分布可以是对称的或非对称的，桨叶形状可以是均匀的或非均匀的，桨叶的倾斜角度范围是0°＜θ＜90°；(b)图相比(a)图在混合元件的中心进行了镂空处理，其横截面中镂空的形状包括且不限于圆形、三角形、四边形以及其他多边形；(c)图为(a)、(b)图中虚线包含区域放大图，表明其材质为三维开孔泡沫陶瓷材料。
具体实施方式
如图1(a)-(b)所示，本发明所述的静态混合装置，由管状容器2和填充于管状容器2中的混合元件1构成，管状容器2的两端分别设置入口法兰3和出口法兰4，其中：混合元件1全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料，三维开孔泡沫陶瓷材料由三维开孔泡沫陶瓷骨架5及其上的泡沫内部三维连通网孔6构成。该陶瓷材料的宏观结构为三维连通的骨架网络，内部的三维连通网孔可以用作流体通道。待混合流体流入静态混合装置之后，在流体通道内发生静态混合，最后流出均匀的流体。
在具体实施过程中，本发明所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其混合元件的宏观形状是以下形状中的一种或两种以上的组合：圆柱状(图2)、圆片或半圆片状(图3)、圆环或圆筒状(图4)、圆锥(图5)或圆锥筒状、圆台(图6)或圆台筒状(图7)、扭转螺旋片状(图8)、螺旋状(图9)、叠层波纹片状(图10)、多叶螺旋桨状(图11)或多叶螺旋斜桨状(图12)。三维开孔泡沫陶瓷材料的网孔尺寸为5ppi～100ppi，孔隙率为5％～95％，其网孔尺寸和/或孔隙率是均匀的或不均匀的，其组成材质含有碳化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅中的一种或两种以上。基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其管状容器的组成材质为金属或合金、玻璃、有机高分子材料、陶瓷材料中的一种或两种以上。该静态混合装置应用于液-液混合、气-液混合、气-气混合、气-固混合，具体可应用于萃取、均相催化反应、多相催化反应、传热或换热、水处理。
下面，通过实施例和附图对本发明进一步详细描述。
实施例1
本实施例中，如图2所示，三维开孔泡沫陶瓷静态混合元件的宏观形状为圆柱状，材料使用碳化硅材料，网孔尺寸为20ppi，孔隙率为85％，管状容器的组成材质为玻璃，将该静态混合装置用于液液萃取。在萃取生产中，料液与萃取剂两种液相往往难以互溶，不易混合均匀，从而影响到萃取效率。采用该静态混合装置可以使两相有控制地均匀混合，在提高萃取效率的同时，又能通过泡沫孔径结构调控与流速调节来控制液滴分散粒度，有利于后续澄清分离。此外，陶瓷材料对于酸性(或碱性)待萃取料液具有抗腐蚀能力，对有机萃取剂具有耐溶胀能力，从而保证泡沫陶瓷材料结构的稳定。本实施例中，有机相是萃取剂皂化P204的煤油稀释液(皂化P204与煤油的体积比为1:20)，水相料液是浓度为2g/L的硫酸镍溶液，两相按体积比为1:1通入静态混合装置后，发生有效的混合接触，实现高效萃取，镍离子的萃取率达到98.5％，而且分相迅速，相界面清晰。
实施例2
如图3所示，与实施例1不同之处在于，本实施例中三维开孔泡沫陶瓷静态混合元件的宏观形状为相交半圆片状，材料使用氮化硅材料，网孔尺寸为40ppi，孔隙率为70％，管状容器的组成材质为不锈钢，将该静态混合装置用于汽油脱硫醇。在石油工业中，从油田开采的原油富含硫化氢，容易腐蚀机械设备、原油储罐以及输送管道，需要控制外输油的硫化氢含量在15mg/kg以下。在本实施例中，使用该静态混合装置，对原油与加注脱硫剂(浓度为2g/L的氢氧化钠水溶液)按体积比例为1：1进行强制混合，硫化氢含量由原来的25～30mg/kg，下降到15mg/kg以下，脱硫剂的配比度也由原来的1.5‰～2‰下降到1‰以下，极大地降低了脱硫剂的成本。
实施例3
如图12所示，与实施例2不同之处在于，本实施例中三维开孔泡沫陶瓷静态混合元件的宏观形状为多叶螺旋斜桨状，材料使用氧化铝材料，网孔尺寸为15ppi，孔隙率为75％，管状容器的组成材质为1060号铝合金，将该静态混合装置用于催化反应。在本实施例中，以Ni为催化剂活性组分，将该静态混合装置用于苯甲醛液相加氢反应，效果显著，苯甲醛加氢反应速率达到0.204mol/(L·h)，而正常苯甲醛加氢反应速率仅为0.10mol/(L·h)。
实施例4
如图8所示，与实施例3不同之处在于，本实施例中三维开孔泡沫陶瓷静态混合元件的宏观形状为扭转螺旋片状，材料使用氧化锆材料，网孔尺寸为30ppi，孔隙率为60％，管状容器的组成材质为玻璃，将该静态混合装置用于农业中的农药混合配制过程。在本实施例中，针对不同的农药剂型，不同黏度的溶液与传统的混药装置进行了对比试验。试验结果表明，使用该静态混合装置可以明显改善对悬浮剂以及中高黏度药液的混合均匀度，以CV值(标准差与平均值之比乘以100)为评价标准，悬浮剂提高了25倍，中高黏度的药剂提高了40％～180％，同时流体流经的管路大大缩短，从而减少了达到混合均匀效果的时间。
实施例5
如图10所示，与实施例4不同之处在于，本实施例中三维开孔泡沫陶瓷静态混合元件的宏观形状为叠层波纹片状，材料使用氧化镁材料，网孔尺寸为35ppi，孔隙率为80％，管状容器的组成材质为不锈钢，将该静态混合装置用于水处理。在本实施例中，将含有机物的工业废水通入静态混合装置，并在静态混合装置入口加入活性炭粉末，每升工业废水加入活性炭粉末的量为0.8g，经处理后的工业废水中有机物含量下降92％，达到了排放标准。
以上描述的本发明的实施例，不是对其使用场合的限定，任何对本发明进行简单变换后的技术方案均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，该静态混合装置由管状容器和填充于管状容器中的混合元件构成，其中混合元件全部或部分是三维开孔泡沫陶瓷材料。
2.根据权利要求1所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，所述混合元件的宏观形状是以下形状中的一种或两种以上的组合：圆柱状、圆片或半圆片状、圆环或圆筒状、圆锥或圆锥筒状、圆台或圆台筒状、扭转螺旋片状、螺旋状、叠层波纹片状、多叶螺旋桨状。
3.根据权利要求1所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，所述三维开孔泡沫陶瓷材料的网孔尺寸为5ppi～100ppi，孔隙率为5％～95％。
4.根据权利要求1或3所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，所述三维开孔泡沫陶瓷材料，其网孔尺寸和/或孔隙率是均匀的或不均匀的。
5.根据权利要求1、3或4所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，所述三维开孔泡沫陶瓷材料的组成材质含有碳化硅、氧化铝、氧化镁、氧化锆、氮化硅中的一种或两种以上。
6.根据权利要求1所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置，其特征在于，所述管状容器的组成材质为金属或合金、玻璃、有机高分子材料、陶瓷材料中的一种或两种以上。
7.根据权利要求1至6之一所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置的应用，其特征在于，所述静态混合装置应用于液-液混合、气-液混合、气-气混合或气-固混合。
8.根据权利要求7所述的基于三维开孔泡沫陶瓷材料的静态混合装置的应用，其特征在于，所述静态混合装置应用于萃取、均相催化反应、多相催化反应、传热或换热、水处理。
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