CN115069135A - 一种组装式高通量阶跃乳化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了乳化装置领域的一种组装式高通量阶跃乳化装置，包括连续相液池、筒体、分形流体输配板和垫圈；所述连续相液池上方设有上溢流口；所述连续相液池下方设有下溢流口；所述筒体设置于连续相液池内连续相流体液面下方；多个分形流体输配板和多个垫圈交替叠放设置于筒体内；所述分形流体输配板和垫圈中心设有通孔，所述分形流体输配板上设置有树状分形微通道，所述侧壁上的离散相流体出口与树状分形微通道连通；所述分形流体输配板和垫圈中心的通孔与所述离散相流体输入管连通；本发明通过空间叠放的多层分形流体输配板构成三维离散相流体输配网络，配合无需连续相流动的阶跃乳化方式，实现单分散乳液的高通量生产。
Description
技术领域
本发明属于乳化装置技术领域，具体涉及一种组装式高通量阶跃乳化装置。
背景技术
乳液在化学化工、食品工业、医药和环境科学等领域有着广泛的应用。传统的搅拌、喷雾、超声波乳液生成过程中常常伴随着强烈的震荡，以至于所得乳液无论是在单分散性还是结构稳定上都具有不可忽视的缺陷，此外还存在原材料利用率低的缺点。因此迫切需求开发具有高可控性、高制备效率、高原料利用率的乳液生成装置。
与传统的乳液生成工艺设备相比，基于微流控技术乳化能够生成尺寸可控、可调的高度单分散性乳液，是最具有发展前景的乳化技术。同时微流控技术具有高度灵活和快速响应等优良特性，能够减少试剂和能源的消耗。但是，单通道微流控装置存在着乳化速度慢、液滴生成频率低的问题，其产量难以满足工业上的应用。
此外，常规的微流控乳化方式有协流、流动聚焦和T形剪切三种方式，这三种方式均需要连续相流体流动产生的剪切力与界面张力共同作用才能实现乳化，因而生成的乳液产品中离散相液滴占比不高，对连续相的利用率较低。阶跃乳化作为微流控乳化方式，单个的阶跃乳化通道同样存在乳化速度慢、液滴生成频率低的缺点；并且对于低表面张力的离散相流体和连续相流体需要外力来促进液滴的生成。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组装式高通量阶跃乳化装置，通过空间叠放的多层分形流体输配板构成三维离散相流体输配网络，配合无需连续相流动的阶跃乳化方式，实现单分散乳液的高通量生产，满足多种领域的液滴量产需求。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种组装式高通量阶跃乳化装置，包括连续相液池、筒体、分形流体输配板和垫圈；所述连续相液池上方设有上溢流口，所述上溢流口上设有上阀门；所述连续相液池下方设有下溢流口，所述下溢流口上设有下阀门；
所述筒体设置于连续相液池内连续相流体液面下方；多个分形流体输配板和多个垫圈交替叠放设置于筒体内；所述分形流体输配板和垫圈中心设有通孔，所述分形流体输配板上设置有树状分形微通道，所述树状分形微通道由分形流体输配板中心的通孔向外延伸至所述筒体的侧壁；所述侧壁上设有离散相流体出口；所述离散相流体出口与树状分形微通道连通；所述筒体上设有离散相流体输入管；所述分形流体输配板和垫圈中心的通孔与所述离散相流体输入管连通。
进一步地，所述离散相流体输入管与所述筒体固定连接；所述离散相流体输入管上连接有旋转接头；所述旋转接头上设有传动装置；电机通过传动装置驱动离散相流体输入管转动。
进一步地，所述筒体包括中空圆筒、下盖板和上盖板；所述中空圆筒竖直设置；所述下盖板和上盖板分别设置于所述中空圆筒上下两侧；所述离散相流体输入管固定连接于所述上盖板，并与中空圆筒连通。
进一步地，所述上溢流口和下溢流口上设有收集皿。
进一步地，分形流体输配板和垫圈中心的通孔直径相等；所述分形流体输配板和垫圈的外径与中空圆筒的内径相等。
进一步地，所述树状分形微通道设有n级分支通道，第i级分支通道的数量为2i×m，i≤n；其中，m表示0级分支通道的数量。
进一步地，第i级分支通道分出两个第i+1级分支通道，两个第i+1级分支通道之间的夹角范围为30°至90°。
进一步地，第i-1级分支通道的长度li-1与第i级分支通道的长度li比值为
其中D为长度维数；第i-1级分支通道的直径di-1与第i级分支通道的直径di比值为
其中，Δ为直径维数。
进一步地，多个离散相流体出口阵列排布于筒体的侧壁上，所述离散相流体出口与第n级分支通道一一对应设置。
进一步地，所述离散相流体出口是等宽度楔形渐扩结构，所述离散相流体出口的渐扩角度β范围为10°-45°。
进一步地，乳化外壳和内芯中的分形流体输配板材料选用玻璃、有机玻璃、硅、聚四氟乙烯或金属，垫圈材料选用聚四氟乙烯或硅胶。
与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：
本发明中多个分形流体输配板和多个垫圈交替叠放设置于筒体内；所述分形流体输配板和垫圈中心设有通孔，所述分形流体输配板上设置有树状分形微通道，所述树状分形微通道由分形流体输配板中心的通孔向外延伸至所述筒体的侧壁；所述侧壁上设有离散相流体出口；能够形成由点到面再到体的流体分配网络，流体分配过程流动阻力低，在低泵功下实现了大径流向微通道的给液；所述树状分形微通道和离散相流体出口的流量相等，保证了乳液尺寸的均一性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种组装式高通量阶跃乳化装置的结构图；
图2是本发明实施例提供的筒体和分形流体输配板的装配图；
图3是本发明实施例提供的分形流体输配板和垫圈的爆炸图；
图4是本发明实施例提供的分形流体输配板的结构图；
图5是本发明实施例提供的具有0级分支通道的分形流体输配板；
图6是本发明实施例提供的具有1级分支通道的分形流体输配板；
图7是本发明实施例提供的具有2级分支通道的分形流体输配板；
图8是本发明实施例提供的具有3级分支通道的分形流体输配板；
图9是本发明实施例提供的中空圆筒的结构图；
图10是本发明实施例提供的离散相流体出口的结构图；
图11是本发明实施例提供的分支通道的结构图；
图12是本发明实施例提供的离散相流体出口液滴生成的原理图；
图13是本发明实施例提供的直通道液滴生成的原理图；
图14为采用楔形出口生成的液滴图；
图中：1-旋转接头，2-离散相流体输入管，3-上盖板，4-中空圆筒，5-下盖板，6-连续相液池，7-分形流体输配板，8-垫圈，9-上溢流口，10-上阀门，11-下溢流口，12-下阀门，13-收集皿，14-传动装置。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图中所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须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。本发明描述中使用的术语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”指的是附图中的方向，术语“内”、“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。
如图1-9所示，一种组装式高通量阶跃乳化装置，包括连续相液池6、筒体、分形流体输配板7和垫圈8；所述连续相液池6上方设有上溢流口9，所述上溢流口9上设有上阀门10；所述连续相液池6下方设有下溢流口11，所述下溢流口11上设有下阀门12；所述上溢流口9和下溢流口11上设有收集皿13。
所述筒体包括中空圆筒4、下盖板5和上盖板3；所述中空圆筒4竖直设置；所述下盖板5和上盖板3分别设置于所述中空圆筒4上下两侧；离散相流体输入管2固定连接于所述上盖板3，并与中空圆筒4连通。
所述筒体设置于连续相液池6内连续相流体液面下方；多个分形流体输配板7和多个垫圈8交替叠放设置于中空圆筒4内；筒体和内芯中的分形流体输配板7材料选用玻璃、有机玻璃、硅、聚四氟乙烯或金属，垫圈8材料选用聚四氟乙烯或硅胶；所述分形流体输配板7和垫圈8中心设有通孔；所述分形流体输配板7和垫圈8中心的通孔直径相等，每个分形流体输配板7的厚度相同，每个垫圈8的厚度相同；所述分形流体输配板7和垫圈8的外径与中空圆筒的内径相等，确保密封性的同时形成离散相流体由离散相流体输入管2至每个分形流体输配板7的离散相流体通路；所述分形流体输配板7上设置有树状分形微通道，所述树状分形微通道由分形流体输配板7中心的通孔向外延伸至所述筒体的侧壁；所述侧壁上设有离散相流体出口；所述离散相流体出口与树状分形微通道连通；所述离散相流体出口用于弥散生成的乳化液滴；
所述树状分形微通道设有n级分支通道，第i级分支通道的数量为2i×m，i≤n；其中，m表示0级分支通道的数量；每个分形流体输配板7中相同等级的树状分形微通道深度相同；第i级分支通道分出两个第i+1级分支通道，两个第i+1级分支通道之间的夹角范围为30°至90°；第i-1级分支通道的长度li-1与第i级分支通道的长度li比值为
其中D为长度维数；第i-1级分支通道的直径di-1与第i级分支通道的直径di比值为
其中，Δ为直径维数。
所述中空圆筒筒壁上的离散相流体出口为j×k阵列排布，离散相流体出口行数j与筒体内分形流体输配板个数i相等，楔形渐扩出口列数k与分形输配板上的最后一级分支通道个数相同，即k＝2n×m。所述离散相流体出口与第n级分支通道一一对应设置。
如图10至图11所示，所述离散相流体出口是等宽度楔形渐扩结构，所述离散相流体出口的渐扩角度β范围为10°至45°；各离散相流体出口交错排列，避免乳化后的液滴相互干扰。当离散相流体流入所述的离散相流体出口后，即与连续相流体接触，二者之间形成稳定的相界面。当相界面前端进入连续相液池后，不再受限，其曲率半径在此处发生了阶跃，界面前端内部的毛细压力将低于仍然在楔形中受限的界面，这一压差为界面的生长、破裂提供了动力。所述的纵向渐扩的楔形结构使得该相界面在尚未进入连续相液池就已经从壁面脱离、使得连续相更容易进入界面与壁面之间的空隙，促使界面更快速地收缩、断裂。如图12至图13所示，楔形结构相对于直通道结构乳化频率更高，并且对于离散相流量的变化不敏感，形成的乳液均一性好；如图14所示，采用楔形出口所生成的液滴尺寸均一性强，具有高度的单分散性。
所述分形流体输配板7和垫圈8中心的通孔与所述离散相流体输入管2连通；实现了离散相流体从离散相流体输入管到分形流体输配板，再到树状分形微通道最终进入对应的离散相流体出口形成液滴的单装置内分配-乳化目的。所述离散相流体输入管2上连接有旋转接头1；所述旋转接头1上设有传动装置14；电机通过传动装置14驱动离散相流体输入管2转动。
工作原理：外接的离散相输配泵将离散相流体通过离散相流体输入管2输送至筒体中，将筒体上所有离散相流体出口浸没于连续相液面以下，离散相流体由分形流体输配板7中心的通孔分配到各个分形流体输配板7的分形树状微通道，均匀将离散相流体分配至其筒壁上的离散相流体出口，进而在毛细压差的作用下乳化形成单分散的液滴。
当两相的界面张力系数过低，难以达到足够的毛细压差时，可将所述的离散相乳化筒上的旋转传动装置14连接电机，由电机带动筒体在连续相液池中绕离散相乳化筒中轴线转动，即可进一步在阶跃乳化过程中引入剪切力，辅助乳化过程的进行。所述单分散的液滴经过空圆筒4上的离散相流体出口分散至连续相液池6中，所述连续相液池6中的单分散的液滴不断聚集增多，当生成的乳化液滴密度小于连续相流体密度时，打开上阀门10使液滴从上溢流口9流入上收集皿13中，反之则打开下阀门12使液滴从下溢流口11流入下收集皿13中完成液滴的收集，也可在乳化过程结束后，将连续相液池中全部流体统一收集。该装置具有高度集成化，自动化的优点，能够实现低泵功条件下实现高品质乳液的高通量制备。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，包括连续相液池、筒体、分形流体输配板和垫圈；所述连续相液池上方设有上溢流口，所述上溢流口上设有上阀门；所述连续相液池下方设有下溢流口，所述下溢流口上设有下阀门；
所述筒体设置于连续相液池内连续相流体液面下方；多个分形流体输配板和多个垫圈交替叠放设置于筒体内；所述分形流体输配板和垫圈中心设有通孔，所述分形流体输配板上设置有树状分形微通道，所述树状分形微通道由分形流体输配板中心的通孔向外延伸至所述筒体的侧壁；所述侧壁上设有离散相流体出口；所述离散相流体出口与树状分形微通道连通；所述筒体上设有离散相流体输入管；所述分形流体输配板和垫圈中心的通孔与所述离散相流体输入管连通。
2.根据权利要求1所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，所述离散相流体输入管与所述筒体固定连接；所述离散相流体输入管上连接有旋转接头；所述旋转接头上设有传动装置；电机通过传动装置驱动离散相流体输入管转动。
3.根据权利要求1所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，所述筒体包括中空圆筒、下盖板和上盖板；所述中空圆筒竖直设置；所述下盖板和上盖板分别设置于所述中空圆筒上下两侧；所述离散相流体输入管固定连接于所述上盖板，并与中空圆筒连通。
4.根据权利要求1所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，所述上溢流口和下溢流口上设有收集皿。
5.根据权利要求1所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，分形流体输配板和垫圈中心的通孔直径相等；所述分形流体输配板和垫圈的外径与中空圆筒的内径相等。
6.根据权利要求1所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，所述树状分形微通道设有n级分支通道，第i级分支通道的数量为2i×m，i≤n；其中，m表示0级主通道的数量。
7.根据权利要求6所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，第i级分支通道分出两个第i+1级分支通道，两个第i+1级分支通道之间的夹角范围为30°至90°。
8.根据权利要求7所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，第i-1级分支通道的长度li-1与第i级分支通道的长度li比值为
其中D为长度维数；第i-1级分支通道的直径di-1与第i级分支通道的直径di比值为
其中，Δ为直径维数。
9.根据权利要求6所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，多个离散相流体出口阵列排布于筒体的侧壁上，所述离散相流体出口与第n级分支通道一一对应设置。
10.根据权利要求1或权利要求9所述的一种组装式高通量阶跃乳化装置，其特征在于，所述离散相流体出口是等宽度楔形渐扩结构，所述离散相流体出口的渐扩角度β范围为10°-45°。
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| CN113893890A (zh) * | 2021-09-26 | 2022-01-07 | 东南大学 | 一种分形阶跃通道式双重乳液微流控量产装置 |
-
2022
- 2022-06-17 CN CN202210683500.4A patent/CN115069135B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 陈永平等: "分形树状通道换热器内的流动换热特性", 《航空学报》, vol. 31, no. 3, pages 472 - 479 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115069135B (zh) | 2024-04-26 |
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Legal Events
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