CN114632487A - 一种微通道超重力旋转床 - Google Patents
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Abstract
一种微通道超重力旋转床，包括壳体，壳体顶面中心设有液相入口，壳体的底面右端设有液相出口，壳体内部同轴安装有定子和转子；定子包括静盘和安装在静盘上的多个静同心圈，静盘固定安装于壳体内的顶面上，液相入口的下端延伸穿过静盘中心；所述转子包括动盘和安装于动盘上的多个动同心圈，动盘与转轴固定连接并随转轴一起转动；相邻静同心圈之间留有容纳动同心圈的间隙，静同心圈、动同心圈相互嵌套交错排布，相邻两个静同心圈与嵌套在其中的动同心圈的环隙构成用于流体流动的微通道。本发明可以有效提高流体流动的有序性、增加流体的剪切速率，可广泛应用于二维纳米材料制备、颗粒分散均质、液体乳化、萃取分离及催化反应等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超重力旋转床设备，尤其涉及一种微通道超重力旋转床。
背景技术
自2004年由英国曼彻斯特大学的科学家通过微机械剥离法制备出石墨烯以来，二维纳米材料受到了极大的关注。二维纳米材料因其优异的物理化学性质，在能源、材料、电子和生物医药等领域展现出广阔的应用前景。高品质二维纳米材料的规模化、低成本是实现其潜在应用的基础和先决条件。
二维纳米材料的制备技术，以石墨烯为例，主要有氧化还原法、液相剥离法、化学气相沉积法及外延生长法等，其中液相剥离法被认为是有望实现高品质石墨烯规模化、低成本制备的主要技术之一。根据液相剥离法的原理，横向剪切力和法向力是起剥离作用的两种机械力。横向剪切力是通过克服层之间的范德华力使得片层发生相对滑动，当剪切速率超过104s-1(称为临界剪切速率)时，即可将片层剥离；横向剪切力是制备大尺寸高品质石墨烯的理想作用力。法向力则是通过改变石墨的层间距，使石墨烯剥离，但同时会不可避免地产生碎片化作用，从而降低石墨烯的品质。
因此，对于大尺寸高品质石墨烯的制备，需要尽可能提高横向剪切力而减小法向破碎力。然而，在现有设备中，要达到剥离所需的临界剪切速率，通常需要剧烈的操作条件，如长时间的高压均质或高速搅拌，导致设备中的流体处于高度的湍动状态，因此法向破碎作用严重，所得石墨烯横向尺寸小且分布不均，品质难以控制。所以，需要开发流动有序性强的新型高剪切设备。
目前，新设备开发的一个趋势是向微型化发展。微化工设备具有流动有序性强等独特优点。如专利CN202011626371.2利用微通道反应器流动有序性强的特点，公布了一种在微通道反应器中，利用气体驱动的液相剥离技术，该技术利用高速压缩气体的驱动，在微通道内产生高速剪切，同时由于微通道的限域作用，提高了流体流动的有序性，使法向破碎得到抑制，从而提高了石墨烯的尺寸和品质。然而，普通的微通道反应器通量小，且其本身产的剪切速率较低，需要借助于外部作用(如压缩气体的驱动)才能产生足够的剪切作用。
发明内容
为克服上述问题，本发明提供一种微通道超重力旋转床。
本发明采用的技术方案是：一种微通道超重力旋转床，包括壳体，壳体顶面中心设有液相入口，壳体的底面右端设有液相出口，壳体内部同轴安装有定子和转子；
所述定子包括静盘和安装在静盘上的多个静同心圈，静盘固定安装于壳体内的顶面上，液相入口的下端延伸穿过所述静盘中心；所述转子包括动盘和安装于动盘上的多个动同心圈，动盘设置于静盘的下方；动盘与转轴固定连接，转轴下端向下伸出壳体外并与壳体密封转动连接；转轴的下端与电动机相连，动盘与转轴同步转动；
相邻静同心圈之间留有容纳动同心圈的间隙，静同心圈、动同心圈相互嵌套交错排布；相邻两个静同心圈与嵌套在其中的动同心圈的环隙构成用于流体流动的微通道，微通道的宽度为0.1-3mm；动同心圈顶部与静盘之间的距离为0.1-5mm，静同心圈底部与动盘之间的距离为0.1-5mm。
优选地，静盘上设有22个静同心圈，动盘上设有21个动同心圈，22个静同心圈与21个动同心圈形成42级微通道。
优选地，所述微通道的宽度为0.2-1.0mm。
优选地，所述动同心圈顶部与静盘之间的距离为0.8-2mm。
优选地，所述静同心圈底部与动盘之间的距离为0.8-2mm。
本发明的工作原理是：由于静同心圈保持不动，而动同心圈随着电机高速旋转，所以当液体在动、静同心圈之间的环形微通道中流动时，会受到动同心圈的驱动而产生圆周运动。液体的高速圆周运动，会产生极大的速度梯度并形成强大的剪切力。根据动、静同心圈级数及旋转床转速的不同，剪切速率的数量级可以调控在104-1010之间；根据液相流量的不同，轴向雷诺数可保持在层流范围内，从而形成有序高剪切流动。
本发明的有益效果是：本发明提供的微通道超重力旋转床结合了微通道反应器流动有序性强和超重力旋转床剪切速率大的特点。相比于传统微通道反应器，其通量可以提高10-50个数量级，且不需要外部作用就能产生高剪切力；相比于传统的超重力设备，其中流体的流动有序性可以得到极大的提高。该微通道超重力旋转床不仅可以用于石墨烯等二维纳米材料的制备，还可以用于其它对剪切速率及流体流动有序性要求高的混合、反应及分离等过程。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
附图标记说明：1、液相入口；2、壳体；3、内腔；4、静盘；5、静同心圈；7、液相出口；8、动盘；9、动同心圈。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明专利的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
在本发明的描述中，需要说明的是，如出现术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，如出现术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，如出现术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
参照附图，一种微通道超重力旋转床，包括壳体2，壳体2顶面中心设有液相入口1，壳体2的底面右端设有液相出口7，壳体2内部同轴安装有定子和转子；所述定子包括静盘4和安装在静盘4上的22个静同心圈5，静盘4固定安装于壳体2内的顶面上，液相出口7的下端延伸穿过静盘4中心；所述转子包括动盘8和安装于动盘8上的21个动同心圈9，动盘8设置于静盘4的下方；动盘8与转轴6固定连接，转轴6下端向下伸出壳体2外并与壳体2密封转动连接；转轴6的下端与电动机相连，动盘8与转轴6同步转动；相邻静同心圈5之间留有容纳动同心圈9的间隙，静同心圈5、动同心圈9相互嵌套交错排布；相邻两个静同心圈5与嵌套在其中的动同心圈9的环隙构成2级用于流体流动的微通道，22个静同心圈5与21个动同心圈9形成42级微通道。微通道的宽度为0.1-3mm；动同心圈9顶部与静盘之间的距离为0.1-5mm，静同心圈5底部与动盘之间的距离为0.1-5mm。
在本发明的一些优选实施例中，所述微通道的宽度为0.2-1.0mm，所述动同心圈9顶部与静盘4之间的距离为0.8-2mm，所述静同心圈5底部与动盘8之间的距离为0.8-2mm。
工作过程：开启旋转床电机，调节其转速至一定值，将原料或反应物(如石墨分散液等)从液相入口1进入壳体2内由静盘最内侧静同心圈5内侧和动盘顶面之间形成的内腔3，继而从最内侧静同心圈进入第一级微通道并向上流动至顶部，然后绕过最内侧动同心圈向下流动至底部，再绕过次内侧静同心圈向上流动，如此依次折流流经各级微通道(在此过程中，由于受动同心圈的高速剪切，可以实现石墨的剥离，物料的分散、均质或乳化等)，最后从最外侧静同心圈底部流出，进入旋转床壳体2内，再由液相出口7流出。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (5)
1.一种微通道超重力旋转床，其特征在于：包括壳体(2)，壳体(2)顶面中心设有液相入口(1)，壳体(2)的底面右端设有液相出口(7)，壳体(2)内部同轴安装有定子和转子；
所述定子包括静盘(4)和安装在静盘(4)上的多个静同心圈(5)，静盘(4)固定安装于壳体(2)内的顶面上，液相入口(1)的下端延伸穿过所述静盘(4)中心；所述转子包括动盘(8)和安装于动盘(8)上的多个动同心圈(9)，动盘(8)设置于静盘(4)的下方；动盘(8)与转轴(6)固定连接，转轴(6)下端向下伸出壳体(2)外并与壳体(2)密封转动连接；转轴(6)的下端与电动机相连，动盘(8)与转轴(6)同步转动；
相邻静同心圈(5)之间留有容纳动同心圈(9)的间隙，静同心圈(5)、动同心圈(9)相互嵌套交错排布；相邻两个静同心圈(5)与嵌套在其中的动同心圈(9)的环隙构成用于流体流动的微通道，微通道的宽度为0.1-3mm；动同心圈(9)顶部与静盘之间的距离为0.1-5mm，静同心圈(5)底部与动盘之间的距离为0.1-5mm。
2.如权利要求1所述的一种微通道超重力旋转床，其特征在于：静盘(4)上设有22个静同心圈(5)，动盘(8)上设有21个动同心圈(9)，22个静同心圈(5)与21个动同心圈(9)形成42级微通道。
3.如权利要求1所述的一种微通道超重力旋转床，其特征在于：所述微通道的宽度为0.2-1.0mm。
4.如权利要求1所述的一种微通道超重力旋转床，其特征在于：所述动同心圈(9)顶部与静盘之间的距离为0.8-2mm。
5.如权利要求1所述的一种微通道超重力旋转床，其特征在于：所述静同心圈(5)底部与动盘之间的距离为0.8-2mm。
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