CN115253833A

CN115253833A - 一种用于混合微流体的微型混合装置

Info

Publication number: CN115253833A
Application number: CN202110478474.7A
Authority: CN
Inventors: 辛忠; 万力; 赵啸宇; 姚翰林; 郭雅慧
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-01

Abstract

本发明提供了一种用于混合微流体的微型混合装置，包括：多级输入管道，所述多级输送管道包括若干直通道和若干斜通道，其中，每一个直通道在分割节点处延伸为两个斜通道；网格管道系统，所述网格管道系统包括若干相互交错围成多边形空隙的分支管道；以及汇聚输出管道。采用上述技术方案后，可使多股物料相互均布，输出单股均匀混合且无较大气泡的物料，使得后续反应产物均一稳定，该设备体积小，占地小，混合效率高，无需外界提供动力，节省了能源，设备成本廉价。

Description

一种用于混合微流体的微型混合装置

技术领域

本发明涉及特种化工机械领域，尤其涉及一种用于混合微流体的微型混合装置。

背景技术

目前混合装置多采用釜式混合设备，尽管其处理量大但对于很多反应，难以起到快速移热、连续生产的目的，且物料在微观上混合不均匀，使得产物收率不稳定。有些设备或输入了较强的能量加强设备内流体的切割与相对运动，对外界的产能装置要求过高，且收益颇微。因此有必要研发一种能够对流体有强切割作用且能快速移热、耗能较小并可抵抗反应介质的腐蚀性的设备，使得多股物料可以均匀混合，输出稳定的混合液。

发明内容

为了克服混合装置存在移热慢、对外界的产能装置要求过高、混合不均匀、产物收率不稳定的技术缺陷，本发明的目的在于一种用于混合微流体的微型混合装置，所述微型混合装置包括：

多级输入管道，所述多级输入管道的一端具有一个总入口，另一端具有若干多级输入管道输出口，所述多级输送管道包括若干直通道和若干斜通道，其中，每一个直通道在分割节点处延伸为两个斜通道；

网格管道系统，所述网格管道系统包括若干相互交错围成多边形空隙的分支管道，所述网格管道系统具有若干网格管道系统输入口和若干网格管道系统输出口，所述若干多级输入管道输出口和所述若干网格管道系统输入口分别依次相互对接并连通；以及

汇聚输出管道，所述汇聚输出管道具有一个总出口，所述若干网格管道系统输出口连通于所述汇聚输出管道。

进一步地，所述总入口与供料系统相连通，并且总入口设有进料单向阀；所述总出口设有出料单向阀。

进一步地，所述若干相互交错围成多边形的分支管道内的交点处设有若干微型挡件，所述微型挡件为半径为5～50微米的球体。该微型挡件以小球状存在于各个汇聚节点，流体以高速冲撞到微型挡件上，其内部气泡被微型挡件切割为更小的尺寸。球型微型挡件的尺寸可根据微通道尺寸适当调整挡板大小与结构形式。

进一步地，所述微型混合装置进一步包括控制系统，所述控制系统包括温度传感器、压力传感器、流量计以及控制器，其中，温度传感器用于测量混合装置中的一个或多个入口和/或一个或多个出口的温度，所述压力传感器用于测量混合装置中的一个或多个入口和/或一个或多个出口的压力，所述流量计用于测量网格管道系统中的流体流速后传送至控制器，控制器用于根据压力、温度与流速数值控制总入口的进料速率并调节网格管道系统的网格数目。示例地，温度传感器串接在出料单向阀的管路下游，压力传感器串接在温度传感器的管路下游，流量计并联地设于网格管道系统的所有分支管道中。

进一步地，所述两个斜通道之间夹角为30～150度。

进一步地，所述多边形为等边菱形，所述菱形的对角角度为15～165度。

进一步地，所有所述的分支管道均在同一平面，所述多级输入管道、所述网格管道系统和所述汇聚输出管道同轴。

进一步地，由四个所述分支管道相交构成的交点的横向数量为1～100个，纵向数量为1～100个。

进一步地，所述多级输入管道的输入管道的管道直径、所述网格管道系统的分支管道的管道直径、以及所述汇聚输出管道的总出口的管道直径均为100～3000微米。

进一步地，所述汇聚输出管道为梯形或三角形，所述梯形或三角形的底角为45～80度。

进一步地，微型混合装置的材料选自透明PVC、聚四氟乙烯、硅、陶瓷、玻璃中的任一种或两种以上。

采用了上述技术方案后，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本申请公开了用于混合微流体的微型混合装置，由于该混合器混合尺度小，通道特征尺寸近似流体边界层尺度以及特殊的网格状混合结构，使得混合器能有效加强多股流体间的混合效果，可应用于多相反应体系，实现连续化、微型化工业规模生产。本申请的混合装置对流体有强切割作用且能快速移热、耗能较小并可抵抗反应介质的腐蚀性，多股物料混合均匀，能够输出稳定的混合液，即产物收率稳定。

发明专利是一种用于均相、多相快速反应的、连续的网格式微通道混合装置，但不适用于含有固体的连续反应，但考虑到化工过程固体原料较少，因而本混合器可适用于大多数化工过程反应。在多股物料流动的同时，利用微通道结构让物料之间实现相互切割与汇聚，通过对流体进行多次切割-汇聚-再切割作用，使得其中一种或多种物料完全均布于另一种物料中，输出均一、稳定的混合液。此外，该种装置属于微型化工机械范畴，可在微流体领域广泛应用，使得生产设备小型化、微型化，也可用于研究开发领域，对其进行数量方法，扩大生产规模，而不产生传统的放大效应。

物料在网格微通道内部进行多次汇聚、切割作用后再网格出口段以多股均匀物料的形式流出，并在装置末端的微流体出口段汇聚为单股物料流出。如此，经过了多次相互冲击的物料不仅可以将流体内部气泡尺寸减小到可接受的范围，并且可使物料之间相互均布。此外，由于流体混合尺度较小，且流速分布均匀，因而微通道混合装置处处受热均匀，从而提高了混合装置的寿命。

本发明可使多股物料相互均布，输出单股均匀混合且无较大气泡的物料，使得后续反应产物均一稳定。此外，该设备体积小，占地小，混合效率高，无需外界提供动力，节省了能源，设备成本廉价。可在实验室小试中广泛推广应用，也可通过数量放大应用于化工企业中。该发明最终使得一些项目不需要提供较大的资金，就可以充分获得该微型设备的使用特性，并且实现了连续化工业生产。

附图说明

图1为申请一实施例的用于混合微流体的微型混合装置的结构示意图；

图2为申请一实施例的用于混合微流体的微型混合装置的微型挡件示意图，其中微型挡件为微型球体，所述微型球体设于若干相互交错围成多边形的分支管道内的交点处；

图3为申请一实施例的用于混合微流体的微型混合装置的网格管道系统和汇聚输出管道之间的连接示意图。

附图标记：

11-总入口、131-直通道、132-斜通道、12-多级输入管道输出口、14-分割节点、20-网格管道系统、21-分支管道、22-网格管道系统输入口、23-网格管道系统输出口、24-混合-分割节点、25-菱形、30-汇聚输出管道、31-总出口、41-球体。

具体实施方式

以下结合附图与具体实施例进一步阐述本发明的优点。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本公开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“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。

实施例1

如图1所示，本实施例的用于混合微流体的微型混合装置包括：

多级输入管道，所述多级输入管道包括3级输送管道，所述输送管道的一端具有一个总入口11，所述输送管道的另一端具有8个多级输入管道输出口12，所述总入口11与供料系统相连通，并且总入口11设有进料单向阀，所述总出口31设有出料单向阀，第一级输送管道包括2个直通道131和2个斜通道132，其中，第一级输送管道中的每一个直通道131延伸为第二级输送管道的两个斜通道132，第一级输送管道中的一个直通道131和第二级输送管道的两个斜通道132之间通过一个分割节点14相连接。所述第二级输送管道中的两个斜通道132之间夹角为30～150度；第二级输送管道中的每一个直通道131延伸为第三级输送管道的两个斜通道132，图1中共计有8个多级输入管道输出口12；

网格管道系统20，所述网格管道系统20包括若干相互交错围成多边形空隙的分支管道21，所述网格管道系统20具有8个网格管道系统输入口22和8个网格管道系统输出口23，所述8个多级输入管道输出口12和所述8个网格管道系统输入口22分别依次相互对接并连通，所述若干相互交错围成等边菱形25的分支管道21内的交点(即混合-分割节点24)处设有若干微型挡件，所述分支管道21的长度为10毫米，所述菱形25的纵向对角角度为90度，所述微型挡件为半径为50微米的球体41，该微型挡件以小球状存在于各个汇聚节点(如图2所示)，流体以高速冲撞到微型挡件上，其内部气泡被微型挡件切割为更小的尺寸，球型微型挡件的尺寸可根据微通道尺寸适当调整挡板大小与结构形式；

汇聚输出管道30，所述汇聚输出管道30具有一个总出口31，所述8个网格管道系统输出口23连通于所述汇聚输出管道30，如图3所示；以及

控制系统，所述控制系统包括温度传感器、压力传感器、流量计以及控制器，其中，温度传感器与压力传感器用于测量混合装置中的一个或多个入口和/或一个或多个出口的温度与压力，流量计用于测量网格管道系统20中的流体流速后传送至控制器，控制器用于根据读取的压力、温度与流速数值控制总入口11的进料速率并调节网格管道系统20的网格数目。示例地，温度传感器串接在出料单向阀的管路下游，压力传感器串接在温度传感器的管路下游，流量计并联地设于网格管道系统20的所有分支管道21中。

所有所述的分支管道21均在同一平面，所述多级输入管道、所述网格管道系统20和所述汇聚输出管道30同轴，所述网格管道系统20的前端(即上游端)与多级输入管道连通；所述网格管道系统20的末端(即下游端)与汇聚输出管道30连通。

本实施例的多级输入管道具有7个分割节点14，且直通道131与斜通道132的长度均为10毫米。由四个所述分支管道21相交构成的交点(即混合-分割节点24)的横向数量为4个，纵向数量为10个，物料在混合-分割节点24处以90度直角汇聚。所述多级输入管道的管道直径、所述网格管道系统20的分支管道21的管道直径、以及所述汇聚输出管道30的总出口31的管道直径均为500微米，总出口31的管道长度为十六分之一英寸。所述汇聚输出管道30为梯形(体)，所述梯形(体)的底角为45度。

本实施例的网格状微通道混合装置是由激光雕刻而成的硅制微通道，但是其他本领域的技术人员可利用其他耐腐蚀的材料如PVC、聚四氟乙烯、陶瓷等作为该混合装置的材质。

本实施例装置工作过程如下：

多股物料混合后进入进料单向阀或者多股物料先后依次地通过进料单向阀向多级输入管道连续输送流体，流体在每一个分割节点14处分割为两股流体继续前进，经过7个分割节点14后变为8股流体进入网格管道系统20。流体在网格管道系统20中充分发展后在网格节点(即混合-分割节点24)处垂直汇聚，并以较快的速度冲击微型球体41，流体中气泡被球型球体41切割并分散为更小的气泡。此后，流体再次分散为8股，在该混合装置中重复进行上述过程，重复10次后在网格管道系统20末端分为8股已完全均匀混合的流体，并在梯形汇聚输出管道30汇聚为单股流体，从总出口31以完全均布的单股物料流出。这样设计使得物料之间完全均布，最终产品均匀稳定，有利于后续反应的进行。

实施例2

其他设置同实施例1，但是述多级输入管道的管道直径、所述网格管道系统的分支管道的管道直径、以及所述汇聚输出管道的总出口的管道直径均设置为1毫米。

实施例3

采用实施例1所述装置，但网格管道系统中的流体在混合-分割节点处以60度角度交汇，所述梯形(体)的底角为60度。本实施例的混合装置为聚四氟乙烯雕刻而成，各结构之间直接连通无微型挡件。

应当注意的是，本发明的实施例有较佳的实施性，且并非对本发明作任何形式的限制，任何熟悉该领域的技术人员可能利用上述揭示的技术内容变更或修饰为等同的有效实施例，但凡未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改或等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims

1.一种用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述微型混合装置包括：

多级输入管道，所述多级输入管道的一端具有一个总入口，另一端具有若干多级输入管道输出口，所述多级输入管道包括若干直通道和若干斜通道，其中，每一个直通道在分割节点处延伸为两个斜通道；

2.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述若干相互交错围成多边形的分支管道内的交点处设有若干微型挡件，所述微型挡件为半径为5～50微米的球体。

3.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述微型混合装置进一步包括控制系统，所述控制系统包括温度传感器、压力传感器、流量计以及控制器，其中，温度传感器用于测量混合装置中的一个或多个入口和/或一个或多个出口的温度，所述压力传感器用于测量混合装置中的一个或多个入口和/或一个或多个出口的压力，所述流量计用于测量网格管道系统中的流体流速后传送至控制器，控制器用于根据压力、温度与流速数值控制总入口的进料速率并调节网格管道系统的网格数目。

4.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述两个斜通道之间夹角为30～150度。

5.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述多边形为等边菱形，所述菱形的对角角度为15～165度。

6.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所有所述的分支管道均在同一平面，所述多级输入管道、所述网格管道系统和所述汇聚输出管道同轴。

7.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，由四个所述分支管道相交构成的交点的横向数量为1～100个，纵向数量为1～100个。

8.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述多级输入管道的输入管道的管道直径、所述网格管道系统的分支管道的管道直径、以及所述汇聚输出管道的总出口的管道直径均为100～3000微米。

9.如权利要求1所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，所述汇聚输出管道为梯形或三角形，所述梯形或三角形的底角为45～80度。

10.如权利要求1-9任一项所述的用于混合微流体的微型混合装置，其特征在于，微型混合装置的材料选自透明PVC、聚四氟乙烯、硅、陶瓷、玻璃中的任一种或两种以上。